Von Dübendorf zum Jupiter

Die europäische Raumsonde «JUICE» soll Jupiter und dessen Eismonde erforschen. Mit an Bord sind auch Komponenten, die an der Empa hergestellt wurden, und zwar mit einem eigens entwickelten Lötverfahren.

Vibrationen, Vakuum, Strahlung und extreme Temperaturschwankungen: All dem müssen wissenschaftliche Messinstrumente für Raumsonden über Jahre hinweg standhalten können und dabei immer noch mit grösster Präzision und Zuverlässigkeit funktionieren. Kein Wunder, dass dabei jedes einzelne Bauteil höchsten Anforderungen genügen muss.

Hans Rudolf Elsener aus dem Empa-Labor für Fügetechnologie liefert seit rund 25 Jahren mit seinen Mitarbeitenden unterschiedliche Komponenten für Raumsonden in Zusammenarbeit mit der Universität Bern. Einige Missionen der Europäischen Weltraumorganisation hatten bereits seine Komponenten an Bord. Das nächste Ziel: Jupiter.

Am 13. April startete die ESA-Mission «Jupiter Icy Moons Explorer» («JUICE»). Sie soll den grössten Planeten unseres Sonnensystems, Jupiter, und seine Eismonde Ganymed, Kallisto und Europa untersuchen. Unter den 11 wissenschaftlichen Instrumenten an Bord der Raumsonde befindet sich auch ein Massenspektrometer, das an der Universität Bern entwickelt wurde. Das «Neutral Ion Mass Spectrometer» misst die chemische Zusammensetzung der äussersten Schicht der Atmosphäre von Jupiter und seinen Monden. Im Herzen des nur 36 cm langen Instruments steckt ein Stück Empa.

Für die Forschenden der Universität Bern stellte Elseners Team einige Komponenten für das hochpräzise Messinstrument her, darunter das sogenannte Reflektron. Das kann man sich wie einen elektrischen Spiegel vorstellen – die eintreffenden Ionen werden durch das Anlegen eines elektrischen Feldes abgebremst und in die Gegenrichtung beschleunigt. Dadurch sind deutlich präzisere Messungen möglich.

Das Reflektron besteht aus gestapelten Keramikzylindern, zwischen denen schmale Ringe aus Titan eingelassen sind. Die Innenseiten der Keramikzylinder sind spiralförmig mit einer hochohmigen glashaltigen Metalloxidpaste beschichtet. Diese robuste Beschichtung ermöglicht das Anlegen eines starken elektrischen Feldes, das nur wenig des knappen Stroms an Bord der Raumsonde benötigt.

Die einzelnen Komponenten des Reflektrons wurden an der Empa in einem Spezialofen unter Hochvakuum zusammengelötet. Denn wäre Sauerstoff im Ofen, würde das Titan bei den hohen Temperaturen zu einem weissen Pulver oxidieren. Vor dem Löten werden daher die Komponenten beschichtet, um das Lötverfahren zu optimieren.

Die Bauteile für «JUICE» hat Elseners Team bereits 2019 fertiggestellt. Bis allerdings die ersten Ionen aus der Jupiter-Atmosphäre durch das Reflektron sausen, dauert es noch eine Weile: Die Umlaufbahn von Jupiter erreicht «JUICE» voraussichtlich erst im Sommer 2031.