Mithilfe der an der Neutronenquelle SINQ generierten Neutronen durchleuchten PSI-Forschende sogenannte pyrotechnische Bauteile, die in die ESA-Raketen eingebaut werden. Diese Bauteile fungieren als Zündschnüre oder Zündkörper und sorgen unter anderem dafür, dass innerhalb der richtigen hundertstel Sekunde die Boosterraketen abgeworfen werden. Auch der Ariane-Start am 20. Juni fand mit Komponenten statt, die am PSI untersuchten worden waren.
Die pyrotechnischen Bauteile spielen eine entscheidende Rolle
Die Neutronenquelle des Paul Scherrer Instituts hilft, Bauteile zu untersuchen, bevor diese in Trägerraketen vom Typ Ariane 5 und Vega eingebaut werden. Diese von der Europäischen Weltraumorganisation ESA entwickelten Raketen transportieren Satelliten und andere unbemannte Raumflugkörper ins All. Bei den am PSI untersuchten Elementen handelt es sich um pyrotechnische Bauteile, welche während des Raketenflugs eine entscheidende Rolle spielen: Sie sind mit Sprengstoff gefüllt, einige von ihnen agieren wie eine Zündschnur, andere lösen daraufhin eine Reihe gewünschter Effekte aus. Auch die Elemente, die für einen erfolgreichen Start der Ariane-5-Rakete am 20. Juni 2019 sorgten, waren Monate zuvor am PSI untersucht worden.
Neutronen für die Qualitätssicherung
Die für die Raketen Ariane 5 und Vega verwendeten pyrotechnischen Bauteile bestehen aus einer Metallummantelung, die mit einem Sprengstoff gefüllt ist. «Die pyrotechnischen Signalleitungen agieren wie beim Dominoeffekt», erläutert Christian Grünzweig, Physiker in der Forschungsgruppe für Neutronen-Imaging und angewandte Materialien am PSI. Einmal angestossen – beziehungsweise in diesem Fall gezündet – läuft das Signal weiter und löst entlang der Linie gezielt weitere Detonationen aus. «Und ähnlich wie beim Domino ist danach Schluss: Die pyrotechnischen Bauteile lassen sich nur einmal abbrennen. Ein Testlauf vorab, ob sie zuverlässig funktionieren werden, ist unmöglich.»
Röntgenbilder genügen nicht zur Prüfung, da Röntgenstrahlen kaum Metalle durchdringen. «Die gute Nachricht ist», so Grünzweig, «wo Röntgenstrahlen versagen, kann oft unsere Bildgebung mit Neutronen weiterhelfen.» Neutronen – die ladungsfreien Grundbausteine der Atome – durchdringen beinahe ungehindert die meisten Metalle, darunter auch Blei. «Der Sprengstoff dagegen enthält unter anderem Wasserstoff-Atome, die den Neutronenstrahl deutlich abschwächen und ihn so als dunklen Kontrast zeigen», so Grünzweig weiter. «Kurz gesagt: Sprengstoff hinter Metall lässt sich nur mit Neutronen sichtbar machen.» Die Neutronenbilder werden später von Mitarbeitenden des Luft- und Raumfahrtunternehmens Dassault Aviation ausgewertet. So wird geprüft, ob der Sprengstoff wie vorgesehen und defektfrei in die Bauteile eingebracht wurde. Dies ist entscheidend, da eine Fehlstelle in der Sprengstoffverteilung beim Abbrennen den Dominoeffekt unterbrechen würde – die Bauteile wären damit unbrauchbar. Der aktuelle Raketenstart war der erste nach der Unterzeichnung einer offiziellen Kooperationsvereinbarung zwischen PSI und Dassault Aviation im April dieses Jahres.
Bis zur Ablösung des Satelliten
Auch wenn die Aneinanderreihung der pyrotechnischen Bauteile oberflächlich betrachtet einer Zündschnur ähnelt, so ist ihre Aufgabe in der Raumfahrt ungleich komplexer. Während Sprengschnüre für eine schlichte Weiterleitung des Signals sorgen, gibt es noch eine Vielzahl weiterer pyrotechnischer Komponenten. Einige vervielfältigen das Signal, indem auf eine eingehende Sprengschnur bis zu neun ausgehende Schnüre und damit Signale folgen. An anderen Stellen verlaufen Sprengschnüre in Schlaufen, um das Signal entsprechend verzögert zu einem bestimmten Ort zu bringen. Dort lösen sie dann winzige Detonationen aus, woraufhin beispielsweise Klingen entsprechende Halterungen durchtrennen.
Auf diese Art werden mit perfekter zeitlicher Abstimmung die beiden Booster abgeworfen, die gemeinsam die erste Beschleunigungsstufe bilden. Im weiteren Verlauf des Raketenflugs wird auf ähnliche Art die Schutzverkleidung der Nutzlast abgelöst. Schliesslich wird durch eine weitere Sprengung diese – Satellit oder sonstiger Raumflugkörper –, von der Trägerrakete gelöst. «Mehrere dieser wichtigen Vorgänge werden komplett durch die pyrotechnischen Elemente angestossen, deren Initialzündung schon mit dem Raketenstart erfolgt», erklärt David Mannes, ebenfalls Forscher in der Gruppe für Neutronen Imaging und angewandte Materialien am PSI.
Vielseitiger Nutzen der Neutronenbildgebung
Die Bildgebung mittels Neutronen wird weltweit nur an wenigen weiteren Forschungs- instituten durchgeführt und ist in der Schweiz einmalig am PSI möglich. Hier ist die Bildgebungsmethode seit vielen Jahren etabliert und der Industrie zugänglich. Die Methode erlaubt einen zerstörungsfreien Blick ins Innere von Materialien und Bauteilen. Die Neutronenbildgebung kann für die Beantwortung vielfältiger wissenschaftlicher Fragestellungen genutzt werden, oder sie hilft dabei, dass sich Probleme aus Technik und Industrie lösen lassen.
Infoservice
Paul Scherrer Institut PSI
Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen
Tel. 056 310 21 11, Fax 056 310 21 99
