Messtechnik im Weltraum

Nirgendwo müssen Messtechnik und Sensoren so robust sein wie im Weltraum. Unter Einfluss extremer Umweltbedingungen wie Hitze und Kälte muss Technologie hier zuverlässig arbeiten. Aber auch für viele irdische Umgebungen sind zuverlässige und robuste Sensoren unabdingbar: Zum Beispiel in der Sahara, die nicht selten Temperaturschwankungen von bis zu 60 Grad Celsius am Tag aufzeigt. Oder in Laboren, in denen ätzenden Chemikalien zum Einsatz kommen, die die Leistung von Technologien beeinflussen können. Messtechnik muss in vielen Umgebungen robust, langlebig und zuverlässig sein.

In diesem Sommer macht sich die NASA erneut auf in Richtung Mars. Ausgerüstet mit robusten Messinstrumenten wird der Rover „Perseverance“ schon Anfang nächsten Jahres den roten Planeten erreichen, um weitere aufschlussreiche Daten und Erkenntnisse zu sammeln. Mit an Bord des Rovers sind auch Sensoren zur Druck- und Feuchtemessung von Vaisala. Das finnische Unternehmen schickt seine Messtechnologie Humicap und Barocap bereits seit 1992 ins All und arbeitet kontinuierlich daran, seine Sensoren für anspruchsvolle Umgebungen zu optimieren. Davon profitiert nicht nur die NASA, denn auch für viele irdische Industriezweige sind robuste und zuverlässige Sensoren erfolgsentscheidend. Daher findet die Weltraum-Technologie von Vaisala auch auf der Erde in vielen Industrien Anwendung.

Ein kurzer Rückblick, wir schreiben das Jahr 1970: Damals war die zuverlässige Feuchtemessung eine ungelöste Aufgabe. Vaisala begann zu jener Zeit mit der Entwicklung eines neuartigen Feuchtesensors unter Verwendung von Halbleitern und Dünnschichtmaterialien und stellte 1973 Humicap vor, der weltweit erste Dünnfilm-Feuchtesensor. Was heute Industriestandard ist, war damals eine Revolution, die die Feuchtemessung radikal veränderte: Der Sensor hatte keine beweglichen Teile, und dank der fortschrittlichen Verwendung von Halbleiter- und Dünnschichttechnologien war er erstaunlich klein. Er reagierte schnell, verfügte über gute Linearität, geringe Hysterese und einen kleinen Temperaturkoeffizienten. Eigentlich als Innovation für einen neuen Typ von Radiosonde konzipiert, zeigte sich schnell, dass das größte Interesse an diesem Sensor aber aus ganz anderer Richtung kam: Betreiber von Gewächshäusern, Bäckereien, Lagerhäusern, Baustellen, Ziegel- und Holzöfen sowie Museen meldeten Bedarf an der neuen Technologie an.

Seit den 70ern sind die Ansprüche an Feuchtemesser stetig gestiegen. Insbesondere die Forschung misst in extremen Umgebungen – wie etwa auf dem Mars.

Aber auch die irdischen Herausforderungen stellen die zuverlässige Feuchtemessung auf die Probe.

Eine besonders große Herausforderung für Feuchtesensoren sind Umgebungsgase. So wie Wasser in den Sensor zur Messung ein- und austreten muss, können auch Gase ein- und austreten. Die häufigste Ursache für einen solchen Drift sind Reinigungsprodukte wie zum Beispiel Bohnerwachs oder Alkohole, die zum Abwischen von Oberflächen verwendet werden. Aber nicht nur die Reinigung kann zum Problem werden, auch neue Materialien in Gebäudestrukturen, Einrichtungsgegenständen oder Verpackungsmaterial setzen Gase frei und stellen eine nicht unerhebliche Kontaminationsquelle für Sensoren dar. Wenn Feuchtesensoren Chemikalien ausgesetzt sind, nimmt normalerweise die Empfindlichkeit des Sensors ab. Im Inneren des Polymers nehmen die Chemikalien dem Wasser den Platz weg. Infolgedessen verringert sich die Fähigkeit des Polymerfilms, die Anzahl der Wassermoleküle zu verstärken. Auch unter trockenen Bedingungen kann sich der gemessene Wert ändern. Wie lösen zuverlässige Feuchtesensoren diese Herausforderung?

Wenn sich Umgebungen ändern, müssen sich auch Feuchtesensoren anpassen und weiterentwickeln. Einer der neuesten Sensoren von Vaisala, Humicap R2, ist insbesondere für die Korrosionsbeständigkeit in säurehaltigen Umgebungen optimiert. Dies wird durch eine Neukonstruktion des Sensors und einen verbesserten Schutz gegen korrosive Mittel erreicht. Die Konstruktion des Humicap R2 wurde dabei in verschiedenen Atmosphären getestet, die Chemikalien wie Chlorwasserstoff, Schwefeldioxid und Stickstoffdioxid enthalten.

Der Feuchtesensor Humicap von Vaisala ist ein kapazitiver Dünnfilm-Polymersensor, der aus einem Substrat besteht, auf dem ein dünner Polymerfilm zwischen zwei leitenden Elektroden abgeschieden ist. Die Sensoroberfläche ist mit einer porösen Metallelektrode beschichtet, um sie vor Verschmutzung und Kondensation zu schützen. Das Substrat ist typischerweise Glas oder Keramik. Wasserdampf wird entweder durch den Dünnschichtpolymer absorbiert oder wieder abgegeben, je nachdem, ob die relative Feuchte der Umgebungsluft steigt oder fällt. Die dielektrischen Eigenschaften des Polymerfilms hängen von der Menge des absorbierten Wassers ab. Wenn sich die relative Feuchte um den Sensor herum ändert, ändern sich die dielektrischen Eigenschaften des Polymerfilms und damit auch die Kapazität des Sensors. Die Technik dahinter: Die Elektronik des Instruments misst die Kapazität des Sensors und wandelt sie in einen Feuchtemesswert um. Das Messen der Feuchte in kritischen Umgebungen kann besonders schwierig sein – auch auf der Erde, beispielsweise in Reinräumen, Handschuhkästen und Isolatoren, die im Umgang mit feuchte- oder gasempfindlichen Materialien verwendet werden. Bei einigen Einsätzen, kann zudem eine regelmässige Wartung des Sensors nicht vorgenommen werden, der Mars ist da ein extremes Beispiel. Daher ist die präzise Zusammensetzung und das Testen von Sensoren unter verschiedensten Bedingungen extrem wichtig, um eine stabile und zuverlässige Messung über einen langen Zeitraum zu gewährleisten.

Neben der Feuchtemessung wird auf dem Mars auch der atmosphärische Druck gemessen. Die dünne Atmosphäre des Mars, die überwiegend aus Kohlendioxid besteht, weist einen Druck auf, der wesentlich kleiner ist als der Luftdruck auf der Erde. Die Sensortechnologie Barocap von Vaisala soll dabei unterstützen, tägliche Berichte über Wetter und Wind auf dem Mars zu erstellen, um die Menschen für ihren ersten Besuch auf dem roten Planeten vorzubereiten.

Auf der Erde findet die Messung des barometrischen Drucks vor allem in der Meteorologie Anwendung – in Wetterstationen, Datenbojen und zur Erfassung von Umweltdaten.

Doch es gibt noch weitere wichtige Anwendungsbereiche für die Druckmessung: Druckempfindliche Industriegeräte wie Laserinterferometer und Lithografiesysteme profitieren ebenso von einer zuverlässigen, langzeitstabilen Luftdruckmessung wie Motorprüfstände oder Abgasanalysen.

Besonders kritisch ist eine zuverlässige Luftdruckmessung auch in der Luftfahrt:

Der höchste Flughafen der Welt heißt Daocheng Yading Airport und befindet sich etwa 4.000 Meter über dem Meeresspiegel in der Provinz Sichuan in China. Hier verlangen Winde, Wolken und Kälte den Sensoren zur Wetter- und Luftdruckmessung einiges ab.

In großen Höhen nehmen Luftdichte und Druck ab. Je dünner die Luft ist, desto geringer ist auch die Motorleistung eines Flugzeugs. Deshalb benötigt Daocheng Yading eine außergewöhnlich lange Landebahn: 4.200 Meter tragen zu einem sicheren Start bei. Um den sicheren Flugbetrieb aufrecht zu erhalten ist zudem die genaue Luftdruckmessung entscheidend, denn der Höhenmesser muss mit dem Luftdruck kalibriert werden. Daocheng Yading setzt daher ein digitales Barometer und drei unabhängige Messwertaufnehmer von Vaisalas Barocoap Technologie ein, um die Ausfallsicherheit und die Kontrolle der Messqualität zu optimieren.

1985 stellte Vaisala erstmals Barocap vor. Der mikromechanische Drucksensor misst Druck mithilfe von Dimensionsänderungen in der Siliziummembran. Wenn der Umgebungsdruck zu- oder abnimmt, biegt sich die Membran und vergrößert oder verkleinert dadurch die Höhe des Vakuumspalts im Inneren des Sensors. Die gegenüberliegenden Seiten des Vakuumspalts fungieren als Elektroden. Wenn sich der Abstand zwischen den beiden Elektroden ändert, ändert sich die Sensorkapazität. Diese Kapazität wird gemessen und in einen ablesbaren Wert für die Angabe des Luftdrucks umgewandelt. Das monokristalline Silizium ist die besondere Eigenschaft von Barocap. Es macht den Sensor robust genug für den Einsatz auf dem Mars und gibt ihm eine besonders hohe Elastizität, geringe Hysterese und geringe Temperaturabhängigkeit und die Fähigkeit, Überdruck zu tolerieren. Ob auf dem Mars oder auf der Erde – die Ansprüche an Sensoren zur Feuchte- und Luftdruckmessung steigen stetig. Und die Entwicklung bleibt spannend, vielleicht werden uns schon bald neue Erkenntnisse, die „Perseverance“ ab Frühjahr 2021 vom roten Planeten zur Erde schickt, neue Einsatzmöglichkeiten auf der Erde aufzeigen. Und mit Technologie, die auf dem Mars funktioniert, meistern wir auch die Herausforderungen auf der Erde.