Entwicklung von Thermalsensoren für Planetare Oberflächen

Oberflächenschichten, die aus sogenanntem Regolith aufgebaut sind, kommen auf vielen planetaren Körpern des Sonnensystems (insbesondere solchen ohne Atmosphäre) vor. Sie haben bemerkenswerte thermische Eigenschaften insofern, als sie zu den am besten thermisch isolierenden Materialien zählen, die man kennt. Somit wirken sie wie eine Art "Thermodecke" die den Untergrund von der Oberfläche abschirmt. Bis heute ist sehr wenig über Ausdehnung und Tiefenverteilung dieser körnigen Oberflächenschichten bekannt. Nur vom Mond gibt es eine begrenzte Anzahl von Daten über thermophysikalische Eigenschaften, die von früheren unbemannten Mondlande- Missionen und von den Apollo-Missionen stammen. Dasselbe gilt bezüglich der vorhandenen Daten über den globalen lunaren Wärmefluss, der bisher nur an den zwei Landestellen der Apollo-Missionen 15 und 17 gemessen wurde. Dabei wurden 1 - 2 m tiefe Bohrlöcher in die Oberfläche gebohrt, in denen über längere Zeit das Temperaturprofil gemessen wurde. Keine in situ Daten gibt es bis heute von den Oberflächen anderer atmosphäreloser Körper, wie etwa Asteroiden, den Monden der großen Planeten, oder Merkur. Angesichts des wiedererwachten Interesses an der Erforschung des Mondes, das sich u.a. in verschiedenen für die nähere Zukunft geplanten Mondmissionen zeigt, erscheint es angebracht, die thermophysikalischen Eigenschaften von Regolith- Schichten näher zu untersuchen. Die Ziele des angesuchten Projekts liegen in drei Bereichen: 1. Entwicklung eines Sensors zur Messung der thermischen Leitfähigkeit für Materialien mit extrem kleiner thermischer Leitfähigkeit in Hinblick auf die Anwendung bei Weltraum-Missionen und industriellen Prozessen, sowie Schaffung von Kalibrierstandards für Vakuum-Umgebungen. 2. Durchführung von Experimenten mit Mond/Asteroiden-Analogmaterial und Bestimmung der thermo- physikalischen Eigenschaften in einer Vakuum-Umgebung, abhängig von Textur und Korngröße. 3. Durchführung theoretischer/numerischer Studien zur Interpretation der experimentellen Ergebnisse. Das Projekt wird hauptsächlich mit am IWF Graz bereits vorhandener Ausrüstung, die größtenteils aus früheren FWF-Projekten stammt, durchgeführt. Die gesammelte Erfahrung der beteiligten Personen während der Entwicklungsphase des Instruments "MUPUS" für die ESA Kometenmission Rosetta kann in das Projekt eingebracht werden. Die Firma HUKSEFLUX als Partner für die Produktion der nötigen Hardware wurde ausgewählt, weil sie die meiste Erfahrung in der Produktion ähnlicher Sensoren für terrestrische Anwendungen besitzt. In Hinblick auf zukünftige Anwendungen haben wir auch eine Verbindung mit der Harbin Institute of Technology (HIT) etabliert, das federführend an der Entwicklung eines Mondrovers im Rahmen des chinesischen Mondlandeprogramms beteiligt ist.

Zentrales Thema dieses TRP-Projekts war die Entwicklung geeigneter Sensoren und Auswertungsmethoden zur Bestimmung der thermischen Eigenschaften des Materials, aus dem sich die oberflächennahen Schichten planetarer Körper (etwa Mond, Mars, Asteroiden oder Kometenkerne) zusammensetzen. Diese Parameter sind sehr wichtig, wenn es darum geht, die thermische Entwicklung dieser Körper zu verstehen. Dabei ist die wichtigste Materialeigenschaft, die durch Messungen zu bestimmen ist, die sogenannte thermische Leitfähigkeit. Sie hängt nicht nur von der chemischen Zusammensetzung des betreffenden Materials, sondern in hohem Maß auch von strukturellen Parametern, etwa Porosität, Korngrößenverteilung und Form der einzelnen Partikel ab. Eine weitere Einflussgröße ist der umgebende Gasdruck, der auf vielen dieser Körper im Vergleich zum irdischen Luftdruck sehr niedrig ist. Eine Standard-Methode zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit solcher Materialien ist das sogenannte "Hot Needle"-Verfahren, bei dem ein schlanker Metall-Stab mit einer konstanten elektrischen Leistung beheizt wird. Kommerziell verfügbare Mess-Sonden haben jedoch einige Schwächen, die sie für die Verwendung auf planetaren Missionen ungeeignet machen. Deshalb haben wir im Rahmen dieses Projekts mehrere neue Sensortypen entworfen, welche von der holländischen Firma Hukseflux als unserem Partner gebaut und unter Verwendung verschiedener für planetare Anwendungen interessanter Materialien im Kryo-Vakuum-Labor am Institut für Weltraumforschung in Graz getestet wurden. Die neuen Sensoren, die im Rahmen dieses Projekts gebaut und getestet wurden, sind robust in dem Sinne, dass sie mechanisch stark sind und deshalb leichter in kohäsiven Materialien, die ja z.B. an der Mondoberfläche zu erwarten sind, verwendet werden können. Sie würden mechanische Beanspruchungen, wie etwa Hämmern oder Bohren in das Oberflächenmaterial, ohne Schaden überstehen und können daher als mögliche Nutzlast für planetare Missionen vorgeschlagen werden. Die Sensoren und Auswertungsmethoden für die thermische Leitfähigkeit, welche im Rahmen dieses Projekts entwickelt wurden, sind für verschiedene Weltraum-Missionen von Interesse. Insbesondere sind in diesem Zusammenhang die ESA Kometenmission Rosetta und das Experiment MUPUS an Bord der Landesonde Philae zu erwähnen, das der Messung der thermischen Parameter der Kometenoberfläche gewidmet ist. Darüber hinaus besteht ein Interesse, solche Sensoren als Nutzlast für künftige Mondlande-Missionen im Rahmen des chinesischen Chang`e Programms zu verwenden. Ebenso beinhalten mehrere derzeit in Ausarbeitung befindlicher Vorschläge für Mondlande- Missionen von NASA und ESA ähnliche Instrumenten-Pakete. Abschließend sei noch erwähnt, dass die in diesem Projekt entwickelten und getesteten Sensoren auch mögliche Anwendungen bei Feldexperimenten unter extremen Umgebungsbedingungen auf der Erde haben, wo thermische Eigenschaften des Untergrundes von Interesse sind. Einige Ergebnisse auf diesem Gebiet wurden durch unsere Zusammenarbeit mit dem State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering in Lanzhou, China, erzielt, das sich mit Infrastruktur-Projekten in hoch gelegenen Regionen befasst.