Die letzte von der Schweiz aus beobachtbare Sonnenfinsternis im März 2015 ist noch in frischer Erinnerung. Eine Sonnenfinsternis entsteht immer dann, wenn der Mond sich zwischen Erde und Sonne schiebt. Ist die Sonnenfinsternis total, verdeckt der Mond rund 70 % der Sonnenfläche. Das Gleiche passiert, wenn ein Planet sich zwischen die Erde und einen Stern schiebt. Jedoch wird dabei nur ein Bruchteil eines Prozents der Fläche des Sterns verdeckt. Daraus ergibt sich ein winziger Unterschied in der Lichtmenge. Die Messung dieses Lichtunterschiedes soll mit dem Weltraumteleskop Cheops gelingen, und aus diesem Unterschied lässt sich der Durchmesser des Planeten berechnen. Doch bevor der neue Satellit ins All geschickt wird, muss er unter Weltraumbedingungen getestet werden. Am Center for Space and Habitability in Bern entsteht deshalb in enger Zusammenarbeit mit B&R ein vollautomatisches Thermal- Vakuum-Testlabor.
Gas, Stein oder Eis auf Planeten suchen
Derzeit arbeiten am Center for Space and Habitability CSH der Universität Bern rund 20 Mitarbeitende unter der wissenschaftlichen Leitung von Prof. W. Benz und dem Gesamtprojektleiter Dr. Ch. Broeg an Entwicklung, Bau und Test von Cheops. Mit dem Cheops-Projekt liegt erstmals die Gesamtverantwortung für ein Satellitenprojekt in Schweizer Händen. Am Projekt beteiligt sind verschiedene Hochschulen und Raumfahrtorganisationen. So ist etwa die Deutsche Gesellschaft für Luft und Raumfahrt DLR, zusammen mit dem Institut für Weltraumforschung IWF in Österreich, zuständig für die elektrischen Subsysteme. Untersucht werden sollen mit dem Weltraumteleskop bereits bekannte Planeten, die ausserhalb unseres Sonnensystems um weit entfernte Sterne kreisen, sogenannte ExO-Planeten. Die Informationen zu den ExO-Planeten liefern im Vorfeld auf der Erde stationierte, dopplerspektroskopische Untersuchungen. Mithilfe der mit Cheops ermittelten Planetengrösse können künftig Rückschlüsse auf die Dichte des Planeten gezogen werden und damit auf seine Bestandteile wie Gas, Stein oder Eis. Auf diese Weise, so hofft man, können Planeten entdeckt werden, auf denen Leben potenziell möglich ist. Und mit Teleskopen der Zukunft wird es vielleicht möglich, auf diesen potenziell belebten Planeten nach vorhandenem Leben zu suchen. Der Launch des Cheops-Satelliten ist für 2017 geplant.
150 Sensoren bei 10–7 mbar in der sauberen Thermal-Vakuum-Kammer
Bevor der Satellit in seine Umlaufbahn gebracht wird, muss zunächst seine Weltraumtauglichkeit erwiesen sein. Denn im Weltraum ist der Satellit sehr rauen Bedingungen ausgesetzt. Das sind im Wesentlichen ein Vakuum von 10–7 mbar sowie Temperaturen im Bereich zwischen –80 und +165 °C, dem das Teleskop sowie der Trägersatellit standhalten müssen. Deshalb wurde an der Uni Bern eine Thermal-Vakuum-Kammer in Betrieb genommen, welche die Bedingungen im Weltraum simuliert. Die Kammer ist zwei mal vier Meter lang und kann den Satelliten, bestehend aus der Plattform und dem Teleskop, gesamthaft aufnehmen. Für die Tests in der Vakuum-Kammer müssen Vorpumpen, Turbopumpen, Shrouds mit Thermofluid, Huber-Thermostate, ein Solar-Simulator und Flüssigstickstoff-Radiatoren immer wieder mit neuen Einstellungen betrieben werden. Hinzu kommt, dass ein hoher Schutz der Testobjekte notwendig ist. Denn diese sind wertvoll – allein das Strukturmodell des Satelliten, das derzeit getestet wird, kostet rund 500 000 Franken.
Die Thermal-Vakuum-Kammer ist in einem Reinraum untergebracht, was insbesondere für die empfindlichen Optiken notwendig ist. Jeder Zutritt zu diesem Reinraum geht unvermeidbar mit einer Verschmutzung der sehr reinen Luft einher und muss daher so weit wie möglich vermieden werden. Um den Zutritt zur Kammer so weit wie möglich einzuschränken und die Testobjekte so gut wie möglich zu schützen, sollte die Testkammer automatisiert werden.
Guter Support und Erfahrung in der Automation waren ausschlaggebend
Bei der Auswahl der Automatisierungskomponenten war hohe Zuverlässigkeit, Sicherheit, Sauberkeit und Flexibilität der Komponenten gefordert. Der Anschluss an ein übergeordnetes, bereits vorhandenes Scada-System musste möglich und das System offen für künftige Entwicklungen sein. Eine wichtige Rolle bei der Wahl eines Partners für die Automatisierungslösung spielte ausserdem ein guter Support und das Interesse an wissenschaftlichen Themen. Nach einer Evaluation verschiedener Anbieter fiel die Wahl auf B&R.
Wird die Thermal-Vakuum-Kammer eingeschaltet, muss zunächst das Vakuum generiert werden. Hierzu werden alle relevanten Ventile geöffnet und die grosse Vor-Vakuumpumpe eingeschaltet. Diese erzeugt ein Vakuum von 10–2 mbar. In der zweiten Stufe generieren zwei Turbopumpen ein besseres Vakuum. Steht das Vakuum, werden die Temperaturen mittels Shrouds und Solar-Simulator generiert.
Rund 150 Temperatursensoren liefern Informationen über die Temperaturverteilung in der Kammer und auf dem Testobjekt. Wird das Objekt zu heiss, muss die Temperatur gesenkt und ein Verglühen oder eine Beschädigung des Satelliten verhindert werden. Nun können Verformungen des Testobjektes durch die grossen Temperaturunterschiede geprüft werden. Ein Beispiel: Die Spiegel des Teleskops sind aus Glas und werden sich anders ausdehnen wie das Trägermaterial. Dies kann zu Beschädigungen führen. Daher muss zunächst gemessen werden, wie sich die Umgebung des Spiegels bei Weltraumbedingungen verformt und welche Gegenmassnahmen wirksam ergriffen werden können. Auch auf der äusseren Hülle der Thermal-Vakuum-Kammer wird die Temperatur überwacht. Die Vakuum-Kammer ist auf der Aussenhülle mit einer Heizung ausgestattet, die bei Bedarf dafür sorgt, dass sich auf der Kammer kein kondensierendes Wasser absetzt.
Automatisierungslösung mit vielen Extras, programmierbar in C und C++
Als Automatisierungslösung eignet sich das X20-System von B&R mit einer X20CP3586-CPU und einer X20SL8100-SafeLOGIC mit Kabelredundanz sowie eine Kombination aus Safety und herkömmlichen IO-Modulen für die Temperatur- und Ventilüberwachung und eine Profibus-Ankopplung der Turbopumpen. Die OPC-Unified-Architecture erlaubte den Anschluss an ein übergeordnetes Scada-System.
Durch die Aufteilung in sechs einzelne Systembereiche konnte ein Teil der Automatisierungskomponenten in einen Maschinenraum neben dem Reinraum verlegt und die Kabelanzahl reduziert werden. Hierdurch wird die Menge an Komponenten im Reinraum deutlich reduziert, was zu dessen Sauberkeit beiträgt. Im Schaltschrank, der im Reinraum steht, befinden sich neben der Steuerung serielle Schnittstellen, Ethernet-Schnittstellen, Profibus sowie die Auswerteeinheit der Druckmesswerte, die mit einer seriellen Schnittstelle angebunden ist. Die Steuerung selber ist lüfterfrei und generiert keinen Staub. Darüber hinaus erwiesen sich alle Komponenten als so sauber, dass auf einen Filter im Schaltschrank verzichtet werden konnte. Über ein B&R-Terminal im Reinraum wird das System bedient. Hier werden beispielsweise die Temperaturen eingestellt und Ergebnisse ausgewertet.
Seit Kurzem wird mit dem B&R-Unit-Test die Automatisierungslösung bei neuer Implementierung getestet. Programmiert wird in C oder C++, da dies die dominierende Programmiersprache im Institut ist. «Die Modularität, die Flexibilität und die Echtzeitfähigkeit der B&R-Automatisierungslösungen sind im universitären Umfeld besonders wertvoll. Der zuverlässige Service, die enge Zusammenarbeit bei der Entwicklung und das Interesse an Themen der Wissenschaft und Forschung waren darüber hinaus entscheidende Faktoren, auch bei anderen Automatisierungsprojekten mit B&R zusammenzuarbeiten. Wir wollen durch einheitliche Architekturen und Lieferanten den Arbeitsaufwand künftig minimieren», sagt Severin Oeschger, der an der Uni Bern zuständig für die Automatisierung der Thermal-Vakuum-Kammer ist. Am CSH und WP in Bern werden deshalb künftige Erweiterungen oder neue Laboraufbauten wenn möglich mit B&R-Komponenten ausgerüstet.
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