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Mission “Athena” – Röntgenobservatorium für das All

2021 – das klingt nach ferner Zukunft. Doch in der Raumfahrt ist ein Jahrzehnt nicht lang. Denn bereits jetzt sind die Arbeiten für die neue Mission „Athena“, die in zehn Jahren starten soll, in vollem Gange. Im Rahmen des Projektes will die Europäische Weltraumorganisation (ESA) ein Röntgenobservatorium ins All schießen. Ursprünglich war die Unternehmung mit der NASA und der japanischen Raumfahrtagentur JAXA geplant worden und hieß International X-Ray Observatory – kurz IXO.

Materialwissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universität Jena tragen einen kleinen Teil zum Gelingen der Mission bei. Sie waren an der Entwicklung und Realisierung einer wichtigen Komponente, die zur Produktion eines großen Spiegels für das Observatorium benötigt wird, maßgeblich beteiligt. Dieser lenkt die Röntgenstrahlung im All gezielt auf Sensoren. Dadurch sind genaue Messungen der Materie möglich.

„Es ist zwar nur ein kleiner, aber bei weitem kein unwesentlicher Teil“, sagt Dr. Volker Herold vom Institut für Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie (IMT) der Universität Jena.

Der im Durchmesser etwa zwei Meter große Spiegel besteht aus einzelnen Bauelementen, die konzentrisch um den Mittelpunkt angeordnet sind. Sie sind aus dünnen, geriffelten monokristallinen Silizium-Wafern zusammengesetzt und sorgen für eine größtmögliche Oberfläche des Spiegels, denn durch die Riffelung entstehen winzige Kanäle innerhalb des optischen Bauelements. Um bei der Herstellung eines einzelnen Bauteils die Wafer exakt übereinanderzustapeln, werden sie mittels Vakuum von einem Roboter mit einem speziellen Montagewerkzeug angesaugt und genau definiert verbogen, bevor sie in einer speziellen Montageplattform zusammengefügt werden. Daran arbeiteten die Jenaer gemeinsam mit der intelli engineering GmbH Barleben und dem niederländischen Unternehmen COSINE measurement systems.

„Wir in Jena haben uns genauer mit dem Montagewerkzeug beschäftigt, dessen Herstellung größtmögliche Präzision erfordert “, erklärt Volker Herold die Aufgabe im Rahmen des Projektes. Die dafür entwickelte funktionsbestimmende Auflage besteht aus einem Folienstapel, in dem sich ein mittels Lasermaterialbearbeitung eingebrachtes System etwa 100 Mikrometer breiter Kanäle für die Vakuumansaugung befindet. Der Folienstapel dient als elastische Unterlage während der Biegung und Verbindung der Wafer. Das sensible Material würde sonst beschädigt. Um die beste Abstützung zu ermöglichen, besteht der Stapel sogar aus mehreren unterschiedlichen Folien. „Das Hauptproblem der Laserbearbeitung bestand in den unterschiedlichen Materialeigenschaften der Stapelkomponenten sowie in der geforderten hohen Genauigkeit der zu erzeugenden Kanalstrukturen“, erklärt Dr. Stephan Gräf, der ebenfalls am Projekt beteiligt war.

Eine weitere Herausforderung war die anschließende mechanische Präzisionsbearbeitung des elastischen Folienstapels, die in mehreren Schritten ebenso die hohen Formgenauigkeitsanforderungen gewährleisten musste. Genau diese Fachkompetenz besitzen die Arbeitsgruppen Lasertechnik sowie Oberflächenbearbeitung in der Abteilung Oberflächen-und Grenzflächentechnologien des IMT, weshalb sich die Jenaer Wissenschaftler unter anderem gegen amerikanische Konkurrenten behaupten konnten.

Die Wissenschaftler um das ATHENA-Projekt wollen vor allem klären, was in der Umgebung von Schwarzen Löchern passiert und wie und warum diese wachsen. Wenn das Observatorium in zehn Jahren um das „große Nichts“ schwebt, ist irgendwie auch ein Stückchen Jena mit dabei. (Uni Jena)