Acktar Magic Black Beschichtung für die herausfordernden Umgebungsbedingungen von METIS - Acktar black coatings

Acktar Magic Black Beschichtung für die herausfordernden Umgebungsbedingungen von METIS

Fachbeitrag

Kurzfassung

Ein spezieller Thermo-Vakuum-Zyklen-Test wurde durchgeführt, um die ACKTAR Magic Black™ Beschichtungsstabilität im Hinblick auf den Einsatz unter den schwierigen Umgebungsbedingungen von METIS-Instrumenten zu qualifizieren.

Einleitung

Im Rahmen des wissenschaftlichen Programms Cosmic Vision 2015-2025 der ESA stellt Solar Orbiter (SolO, siehe Abb. 1) die erste Mission der M-Klasse dar, die der Sonnen- und Heliosphärenphysik gewidmet ist und derzeit für einen Start im Oktober 2018 geplant ist(1).

Abb. 1. Impressionen des Solar Orbiter (Credit ESA)

METIS Überblick

Als eines der sechs SolO-Solar-Fernerkundungsinstrumente (siehe Abb. 2) wird das Multi Element Telescope for Imaging and Spectroscopy (METIS) von einem internationalen wissenschaftlichen Konsortium unter der Leitung des INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica, Astronomical Observatory of Turin) vorgeschlagen, das von der Italienischen Weltraumbehörde (ASI) finanziert und vom italienischen Konsortium ATI (Compagnia Generale per lo) und Thales Alenia Space – Italia (TAS-I) entwickelt und umgesetzt wird.

Abb. 2. Nutzlast-Aufnahme an Bord des Solar Orbiter (Credit: ESA)

METIS ist ein Koronagraph, der gleichzeitig breitbandige Bildgebung im sichtbaren Licht und schmalbandige Bildgebung im UV der Sonnenkorona mit beispielloser räumlicher Auflösung die Struktur und Dynamik der vollen Korona im Bereich von 1,4 bis 3,0 (von 1,7 bis 4,1) Sonnenradien vom Sonnenzentrum, mindestens (maximal) Perihel während der nominalen Mission(1) durchführt (eine CAD-Ansicht von METIS ist in Abb. 3-4 dargestellt).

Die Oberflächen mehrerer Komponenten aus Titanlegierungen (Ti-6Al-4V) der METIS Optical Unit (MOU) sollen einen sehr geringen Reflexionsgrad aufweisen, um das Streulicht zu minimieren; daher wurde die Beschichtung mit ACKTAR Magic Black™ vorgesehen.

Abb. 3. CAD-Ansicht von METIS (Credit: CGS, ASI)

Ein Beispiel ist die METIS Shield Entrance Aperture (SEA), wie in Abbildung 4 dargestellt.

Abb 4. CAD-Ansicht der METIS SEA (Credit: TAS-I, ASI)

Magic Black™ ist die Beschichtung der Wahl, wenn der absolut niedrigste Reflexionsgrad / höchste Emissionsgrad im FUV – UV, VIS bis hin zum SWIR-Bereich – typisch für die Streulichtunterdrückung – gefordert wird. Zusätzlich zu seiner überlegenen optischen Leistung (siehe Abb. 5-7). Magic Black™ wurde gründlich getestet und für thermische Zyklen, Thermo-Vakuum-Zyklen, kryogene Temperaturleistung, Ausgasung, atomaren Sauerstoff und Reflexionsgrad nach Umwelteinflüssen qualifiziert.

Magic Black™ liefert viele weitere wichtige Eigenschaften für Weltraumanwendungen, da es im Wesentlichen keine Ausgasung aufweist, vakuum- und thermo-vakuumtauglich ist, für Einsatztemperaturen von -269°C bis +350°C geeignet ist, keine Partikelkontamination aufweist, nur wenige Mikrometer dick ist und mit nahezu allen Substratmaterialien kompatibel ist.
Magic Black™ wurde ausgiebig getestet und für Weltraumanwendungen qualifiziert und wird unter anderem in einer Vielzahl von Raumfahrtprogrammen eingesetzt:

  • ESA Bepi Colombo
  • Star Tracker auf verschiedenen Satelliten
  • ESA Sentinel 2 – Erdbeobachtung
  • Earth Videokamera und mehr.
Abb. 5. Gesamte hemisphärische Reflexion von Acktars Magic Black™ (Credit: Acktar Ltd.) (2)

Abb. 6. BRDF von Acktars Magic Black™ bei 532 nm Wellenlänge (Credit: Acktar Ltd.) (3)

Abb. 7. BRDF von Acktars Magic Black™ bei 640 nm Wellenlänge (Credit: Acktar Ltd.) (3)

Der METIS Inverted External Occulter (IEO, Abb. 8) ist der vordere Teil des Instruments: seine Oberfläche wird dem Sonnenfluss ausgesetzt, so dass er sehr schwierigen Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist: 380° C wurde
von CGS und TAS-I als maximale Qualifikationstemperatur betrachtet (Abbildung 9). Acktars Magic Black™ musste bisher für 350°C als Maximaltemperatur qualifiziert werden.

 

Abb 8. CAD-Ansicht des METIS IEO (Credit: CGS, ASI)
Abb. 9. Thermische Verteilung durch thermische Analyse am IEO (Credit: CGS, ASI)

EIGNUNGSPRÜFUNG

CGS, TAS-I und ACKTAR planten einen speziellen Thermo-Vakuum-Zyklen-Test an mehreren titanbeschichteten Proben (Abb. 10), um die Magic Black™ Beschichtungsstabilität bis 380°C zu qualifizieren.

Testcharakterisierung

Nachfolgend die wichtigsten Merkmale, die den Test charakterisieren:

  • Probenmaterial: Ti-6Al-4V
  • Abmessungen der Proben: 60x60x3 mm
  • Temperaturbereich: -120°C ÷ 380°C
  • Gesamtzahl der Zyklen: 100
  • Heiz-/Kühlrate: 10 ± 2 °C/min
  • Verweilzeit: ≥ 5 min
  • Unterdruck: 1×10-5 Pa (7,5×10-8 Torr)
Abb. 10. Beschichtetes Prüfmuster (Gutschrift: Acktar Ltd.)

3.2. Untersuchte physikalische Eigenschaften

Ziel des Tests war es, den Abbau der folgenden Eigenschaften zu untersuchen:

  • Optische Leistungen: Reflexionsgrad
  • Thermische Leistungen: Absorptionsgrad α und Emissionsgrad ε Werte, mit denen der Strahlungswärmeübergang der METIS-Teile während der Mission korrekt berechnet werden kann.
  • Mechanische Leistungen: Haftfestigkeitsprüfung
  • Oberflächenwiderstand
  • Sichtprüfung
Abb. 11. Oberflächenwiderstandstestprobe (Credit: Acktar Ltd.)

Die Charakterisierung der Proben wurde durchgeführt:

  • am Anfang;
  • nach 25 Zyklen, auf einem ersten Satz von Proben;
  • am Ende (nach 100 Zyklen) an einem zweiten Probensatz, um einen möglichen Vergleich der untersuchten physikalischen Eigenschaften während des Zyklustests zu identifizieren.

3.3. Akzeptanzkriterien

Für die Testergebnisse wurden mehrere Akzeptanzkriterien für verschiedene Merkmale berücksichtigt, die im Folgenden zusammengefasst werden:

  • mittleres Reflexionsvermögen zwischen 400 und 1000 nm;
  • maximales Reflexionsvermögen zwischen 580 und 640 nm;
  • α und ε;
  • Oberflächenwiderstand;
  • dürfen keine sichtbaren Mängel festgestellt werden.

3.4. Versuchsaufbau

Der thermische Vakuumkreislauf wurde mit einer Testanlage (ITL Inc.) durchgeführt, die aus einer Vakuumkammer aus Edelstahl besteht, in der ein Probenhalter mit einem Heiz-/Kühlsystem untergebracht ist (Abb. 12).

Das Vakuumpumpsystem besteht aus einer ölfreien mechanischen Scrollpumpe und einer Turbomolekularpumpe mit einem Saugvermögen von 2.050 l/s, die den Enddruck von < 10-8 Torr erreichen kann. Die Testproben wurden auf die Oberfläche der Probenhalterplatte gelegt.

Abb. 12. ITL-Thermovakuumkammer (Credit: ITL inc.)

SCHLUSSFOLGERUNG

Acktar Magic Black tiefschwarze Beschichtungen auf Ti6Al4V-Substraten erfüllen die Thermo-Vakuum-Zyklen-Anforderungen des METIS-Programms in Bezug auf Reflexion, Absorption, Emittanz, Haftung, Oberflächenwiderstand und optisches Erscheinungsbild in vollem Umfang.

Darüber hinaus wird aufgrund einer IEO-Hardware-Modifikation ein weiterer Thermo-Vakuum-Zyklen-Test erforderlich sein, um die Acktar™ Magic Black-Beschichtung bis +450°C zu qualifizieren. Eine weitere Validierung des thermo-optischen Tests wird in Kürze am gesamten METIS-Gerät (Thermal Model) durchgeführt.

REFERENZEN

  1. https://sci.esa.int/solar-orbiter/, Instruments, 2015
  2. Die gesamten Messungen der hemisphärischen Reflexion wurden an schwarz beschichteten Objekten mit dem Ocean Optics Spektrometer USB4000 bei Wellenlängen von 400-1100 nm durchgeführt.
  3. BRDF-Messungen wurden mit BRDF-Messsystemen am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) Jena durchgeführt.