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new generation of High thErmAl efficiency componenTs PACKages for space

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Raumfahrtmaterialien mit hohem Wärmewirkungsgrad für Satelliten der nächsten Generation

Kältere elektrische Komponenten sind im Weltraum langlebiger. Forschende haben eine Reihe neuer Materialien und Verpackungstechniken entwickelt, um Dinge kühl zu halten.

Weltraum icon Weltraum

Der Weltraum stellt für viele Wirtschaftsbereiche das nächste Ziel dar. Da in Zukunft mehr auf Raumfahrttechnologie wie Satelliten gesetzt wird, müssen die technologischen Komponenten ständig verbessert werden. Dazu gehören Technologien mit breiter Bandlücke. Diese Halbleiter werden in großem Umfang in elektrischen Einheiten von Satelliten eingesetzt, z. B. für die Leistungsumwandlung und die Verstärkung von Signalen im Ausgangsbereich der Nutzlast des Satelliten. Die Erhöhung der Leistung elektronischer Bauteile bei gleichzeitiger Reduzierung der Größe wird die Leistung der Satelliten verbessern. Doch mehr Funktionen auf kleinerem Raum erhöhen die Leistungsdichte und die Wärme, die abgeführt werden muss. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts HEATPACK haben Forschende neue Lösungen entwickelt, um diese Komponenten im Weltraum kalt zu halten. „Materialien mit niedrigem Wärmewiderstand sind aus mehreren Gründen wichtig“, erklärt David Névo, Ingenieur für Mikrowellenchipgehäuse bei Thales Alenia Space und Koordinator des HEATPACK-Projekts. „Die effiziente Ableitung der Wärme aus den Bauteilen und ihre möglichst kalte Lagerung haben einen enormen Einfluss auf ihre Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Das ist von entscheidender Bedeutung, da einige Weltraummissionen bis zu 15 Jahre ohne Reparaturmöglichkeit überdauern müssen.“

Entwicklung innovativer thermischer Materialien

Das HEATPACK-Team hat eine Reihe von Materialien und Lösungen mit hohem Wärmewirkungsgrad entwickelt, die auf den Satellitenausgangsleistungsbereich für Kommunikations- und Navigationsmissionen sowie auf alle Leistungseinheiten im Zusammenhang mit der Satellitennutzlastausrüstung abzielen. Zu den neuen Lösungen gehören Verbundwerkstoffe auf der Basis von Diamantpartikeln, die eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Sie ist etwa fünfmal höher als die von reinem Kupfer. Die Formgebung dieser Materialien ist eine Herausforderung, ebenso wie das Erreichen der erforderlichen Oberflächengüte. Daher erkundeten die HEATPACK-Forschenden neue Formulierungen und Schneidetechniken zur Herstellung hochpräziser diamantbasierter Qualitäten. Sie entwickelten auch zwei thermische Grenzflächenmaterialien: eines auf der Grundlage einer gesinterten Silberpaste, das andere auf der Grundlage eines elektrisch und thermisch leitenden Klebefilms, der bei der Montage von Bauteilen bzw. Gehäusen verwendet wird. HEATPACK hat auch neue aktive Kühllösungen entwickelt, die eine bessere und kostengünstigere Alternative zur passiven Kühlung darstellen. Dieses Zweiphasensystem pumpt die Flüssigkeit in einer oszillierenden Bewegung um die Rohre in Form einer Serpentine. Diese durchquert den heißen und kalten Bereich mehrfach, um die latente Wärme abzuführen und eine sehr effektive Kühlleistung zu erzielen. Auf der Grundlage dieser Technologiebausteine wurden drei verschiedene Gehäuse entworfen und hergestellt sowie anschließend unter Weltraumbedingungen bewertet.

Erfüllung der Projekterwartungen

„Im Großen und Ganzen wurden bei der Entwicklung dieser kritischen Technologiebausteine, die sich mit Fragen der Wärmeverwaltung befassen, große Fortschritte erzielt“, sagt Névo. Einige der HEATPACK-Technologien haben den Technologie-Reifegrad 6 erreicht, wie z. B. die Diamantverbundwerkstoffe. Andere Innovationen werden derzeit noch getestet – in der Hoffnung, dass sie denselben Grad erreichen werden. „Eines der wichtigsten Ergebnisse ist, dass die thermische Leistung der Demonstrationsanlagen, in die mehrere von den Projektpartnern entwickelte Technologien integriert sind, die zu Beginn des Projekts festgelegten Erwartungen erfüllt“, so Névo.

Marktreife Technologien

Einige der Technologien sind bereits marktreif, darunter Metall-Diamant-Verbundwerkstoffe sowie eine innovative thermische Messtechnik, die ebenfalls im Rahmen des Projekts entwickelt wurde. „Das Hauptziel waren Raumfahrtanwendungen, aber die Technologien können auch für andere Märkte vorgeschlagen werden – eigentlich für jede Anwendung, bei der es um Fragen des Umgangs mit Wärme geht“, erklärt Névo.

Schlüsselbegriffe

HEATPACK, Weltraum, Raumfahrt, Komponenten, Elektronik, thermisch, Wärme, Technologien, kälter, Lebensdauer

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