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Thermomanagement in der Raumfahrt Wie sich Leistungsdichte und Zuverlässigkeit im Vakuum steigern lässt

Von Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter 1 min Lesedauer

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CTX Thermal Solutions GmbH

Die Kühlung im Weltraum ist aufgrund des Vakuums anspruchsvoll. Ein neuer Ansatz der Fraunhofer-Forscher nutzt Ultrakurzpulslaser (UKP), um Gehäuseoberflächen so zu funktionalisieren, dass sie Wärme hocheffizient abstrahlen.

Femtosekundenlaserstrukturierung einer Lavaldüse aus CuCrZr (Kupferlegierung mit Chrom und Zirkonium) mit einer hoch emissiven Oberfläche. Dadurch soll sich die Wärmeabfuhr von Satellitenkomponenten und Raketendüsen verbessern.(Bild: Fraunhofer HHI)
Femtosekundenlaserstrukturierung einer Lavaldüse aus CuCrZr (Kupferlegierung mit Chrom und Zirkonium) mit einer hoch emissiven Oberfläche. Dadurch soll sich die Wärmeabfuhr von Satellitenkomponenten und Raketendüsen verbessern.
(Bild: Fraunhofer HHI)

Mit der steigenden Rechenleistung und höheren Sendeleistungen moderner Satelliten wächst auch die Verlustleistung auf engstem Raum. Da im Weltraum die Wärmeabfuhr ausschließlich über Strahlung (Radiatoren) erfolgen kann, wird der Emissionsgrad der Oberflächen zum kritischen Designfaktor. Herkömmliche schwarze Lacke oder Beschichtungen stoßen hier an Grenzen: Sie altern unter UV-Strahlung, gasen aus oder neigen bei extremen Temperaturwechseln zur Rissbildung.

Funktionalisierung statt Beschichtung

Thermischer Test einer Lavaldüse aus Edelstahl.(Bild: Fraunhofer HHI)
Thermischer Test einer Lavaldüse aus Edelstahl.
(Bild: Fraunhofer HHI)

Forscher von Fraunhofer AVIATION & SPACE setzen daher auf eine intrinsische Lösung. Mittels Femtosekunden- und Pikosekundenlasern werden die Oberflächen von metallischen Gehäusen oder Strukturelementen gezielt im Mikro- und Nanobereich strukturiert. Diese Strukturen vergrößern nicht nur die effektive Oberfläche, sondern verändern die optischen Eigenschaften des Materials so, dass die Emissivität nahe an den Wert eines „Schwarzen Körpers“ herankommt.

Vorteile der UKP-Laserbearbeitung

Durch den Einsatz von Ultrakurzpulslasern (UKP) erfolgt der Materialabtrag nahezu ohne thermische Beeinflussung des umliegenden Gefüges (kalte Ablation). Dies ist besonders bei dünnwandigen Elektronikgehäusen oder empfindlichen Legierungen entscheidend. Die Vorteile gegenüber klassischen Verfahren sind:

  • Langlebigkeit: Keine Beschichtung, die abblättern kann; die Struktur ist Teil des Basismaterials.
  • Gewichtsersparnis: Verzicht auf zusätzliche Kühlkörper oder dicke Lackschichten.
  • Präzision: Gezielte Kühlung von Hotspots durch lokale Strukturierung direkt neben den Leistungshalbleitern.

Die Technik ist für alle Metalle relevant, die typischerweise im Gehäusebau eingesetzt werden (Al-Legierungen, Edelstahl, Titan). Entwickler können dadurch Gehäuse kompakter dimensionieren, da die Wärmeabstrahlleistung pro Fläche massiv steigt. Das senkt den Bedarf an aktiven Kühlkomponenten oder massiven Radiatorflächen und optimiert das Verhältnis von Leistung zu Baugröße (Power Density). (heh)

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