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Widerstände für den Weltraum – geht es auch kostengünstig?

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

An Widerstände in Raumfahrtanwendungen werden höchste Ansprüche gestellt. Doch nicht immer muss es die beste und teuerste Lösung sein – oft genügen auch automotive-qualifizierte Typen.

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Präzisionswiderstände der Isabellenhütte: werden seit über zehn Jahren in verschiedensten Anwendungen im Weltraum eingesetzt, z.B. in Solarmodulen.
Präzisionswiderstände der Isabellenhütte: werden seit über zehn Jahren in verschiedensten Anwendungen im Weltraum eingesetzt, z.B. in Solarmodulen.
(Bild: Isabellenhütte)

Seit mehr als zehn Jahren stellt die Isabellenhütte niederohmige Präzisionswiderstände für moderne Raumfahrtanwendungen bereit, die nach den hohen ESA-Spezifikationen ESCC4001 qualifiziert sind. Seit kurzem steigt nicht zuletzt aus Kostengründen die Nachfrage nach geringer qualifizierten Bauteilen, wie sie in Automotive-Anwendungen eingesetzt werden. Ihren (New-Space-)Kunden stellt sie hierfür zum einen ausführliche Qualifikationsdaten zur Verfügung und ermöglicht zum anderen kundenindividuelle Nachqualifizierungen der Widerstände. Derzeit nimmt das Unternehmen eigene Produktionslinien für die sogenannten EEE-Komponenten (elektrische, elektronische und elektromechanische Bauteile für den Raumfahrtsektor) in Betrieb.

Zu den ESCC-qualifizierten Bauteilen gehören Widerstände aus den SMx-Serien, also SMP, SMS und SMT als die klassischen Vertreter der Chip-Widerstände, sowie SMV-Widerstände. Mögliche Anwendungen sind z.B. DC/DC-Wandler oder Batteriemanagement-Systeme in Satelliten oder Zentralsteuerungen in Trägerraketen. Die Aufgaben der Widerstände unterscheiden sich nicht wesentlich von denen auf der Erde – beispielsweise im Automotive-Sektor – das Herausfordernde sind die Umgebungsbedingungen wie die erhöhte Strahlung im Weltall. Davon mehr betroffen sind allerdings aktive Komponenten oder Halbleiterelemente, die stärker in Mitleidenschaft gezogen werden können als passive Bauelemente.

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Bauteile im Weltraum können nicht einfach getauscht werden

Was die Widerstände für Raumfahrtanwendungen auszeichnet, sind die Präzision, die Zuverlässigkeit und Belastbarkeit der Bauteile und ihre hohe Langzeitstabilität – schließlich können Bauteile im Weltraum nicht einfach ausgetauscht werden. Wenn Trägerraketen beim Start starke Vibrationen erzeugen, verkraften die Widerstände dies dank ihrer großen Lötpads und der bleiverzinnten Kontakte sehr gut. Dies wirkt sich auch günstig auf mögliches Whiskerwachstum aus, das durch die Blei-Zinn-Beschichtung vermieden wird.

Eignen sich vielleicht auch Automotive-Komponenten?

Neben den genannten Widerständen, die nach den ESA-Spezifikationen qualifiziert und somit in der Qualified Parts List (QPL) der ESA aufgeführt sind, können sich durchaus auch weitere Widerstände der Isabellenhütte eignen, welche die Automotive-Spezifikationen erfüllen. Für die Hersteller in Raumfahrtprojekten beginnt hier die Abwägung zwischen Kostenreduzierung über niedriger qualifizierte Bauteile und der Erhöhung des Ausfallrisikos beim Einsatz dieser Komponenten.

Bei anspruchsvolleren Anwendungen, die langfristig verfügbar sein müssen, wie der Telekommunikation, Navigationssystemen oder Wettersatelliten, ist ein höherwertiges Bauteil von Vorteil. Bei kurzfristigeren Missionen, bei denen Satelliten nur wenige Monate im All genutzt werden, oder bei Trägerraketen, die nur einen einzigen Einsatz haben, rechnen sich diese Bauteile oft nicht und die Anwender suchen nach kostengünstigeren Alternativen.

Dienstleistung individuelle Nachqualifizierungen

Daniel Theis, Industry Manager Aerospace im Vertrieb Bauelemente der Isabellenhütte, hat hier ein klares Informationsbedürfnis der Raumfahrtingenieure festgestellt, dem die Isabellenhütte nachkommen möchte: „Wir haben seit dem letzten Jahr verstärkt Anfragen nach Qualifikationsdaten unserer Bauteile – was können die Bauteile leisten? Wie präzise verhalten sie sich in Anwendungen nach den ESCC-Spezifikationen? Diese Daten und Qualifizierungen bieten wir gerne als Dienstleistung an, d.h. wir können einerseits umfangreiche Daten zu bereits gelaufenen Qualifizierungen weitergeben als auch kundenindividuelle Nachqualifizierungen von Bauteilen durchführen, z.B. nach Spezifikationen der ESA, der NASA oder auch nach kundenspezifischen Anforderungen.“

Unabhängige Produktionslinie für EEE-Komponenten

Um noch schneller und individueller auf (New-)Space-Anfragen reagieren zu können, trennt die Isabellenhütte ihre EEE-Komponenten-Fertigung künftig von der Produktion der Automotive-Bauteile. So stehen nun eigene Produktionslinien ausschließlich für die EEE-Bauteile zur Verfügung, sodass zeitliche Engpässe bei der Lieferung vermieden werden und auftragsgemäß gefertigt und geliefert werden kann.

ISA-WELD-Widerstand BVR für die Qualified Parts List

Aktuell arbeitet das Unternehmen daran, einen ISA-WELD-Widerstand (BVR) nach ESCC-Spezifikation zu qualifizieren und so in der QPL zu etablieren. Er könnte als Erweiterung der Widerstandswerte im unteren Bereich eingesetzt werden (für 0,2 bis 2 mΩ), für den es derzeit kein qualifiziertes Bauteil gibt. Daneben ist für die Isabellenhütte die Nachqualifizierung günstigerer Automotive-Komponenten für mögliche New-Space-Projekte eine komplementäre Ergänzung zum Vertrieb der gelisteten Bauteile.

Interview mit Daniel Theiss Was bewegt Raumfahrtingenieure, auf geringer qualifizierte Bauteile statt der ESCC-qualifizierten Komponenten auszuweichen?
Wir stellen in der Luft- und Raumfahrtbranche verschiedene Strömungen fest: Einerseits gibt es die festen Vorgaben und Spezifikationen der Raumfahrtagenturen, nach denen sich viele Hersteller richten, um ein sicheres Produkt zu erzielen. Andererseits steigt im Zuge der Kommerzialisierung der Raumfahrt aufgrund der Vielzahl von New-Space-Projekten die Nachfrage nach günstigeren Bauteilen, die ebenso funktionstüchtig sind.

Welche Hürden sehen Sie dabei?
Zum einen besteht in der Branche eine große Unsicherheit darüber, ob Bauteile abseits der QLP den Anforderungen genügen können und sicher genug für den Einsatz im Weltraum sind. Viele Ingenieure möchten sich hier nicht auf Experimente einlassen und bevorzugen daher zertifizierte EEE-Komponenten. Jedoch werden oft die tatsächlichen Anforderungen außer Acht gelassen, die an die Bauteile bei der jeweiligen Mission gestellt werden – die durchaus deutlich geringer ausfallen können, wenn es beispielsweise nur um eine kurze Verweildauer im All geht. Wenn Ingenieure dann auf Automotive-Komponenten zurückgreifen möchten, fehlen ihnen oft aussagekräftige Informationen über die Leistungsfähigkeit der Bauteile.

Welche Empfehlungen können Sie als Experte für Präzisionswiderstände geben?
Raumfahrtingenieure tun gut daran, einmal „out of the box“ zu denken und die Anforderungen an die nötigen Bauteile aufgrund der Art der Mission zu hinterfragen. Wenn diese nämlich geringer sind als bei langfristigen und anspruchsvollen Projekten wie Navigations- und Wettersatelliten, lohnt es sich, seinen Blick für geringer qualifizierte Teile, etwa aus dem Automotive-Bereich, zu öffnen. Die Isabellenhütte hilft gerne dabei, Qualifizierungsdaten bereitzustellen und zu prüfen, aber auch Nachqualifizierungen, zum Beispiel gemäß ESA-Vorgaben, durchzuführen. So sinkt das Risiko für die Verwendung von Automotive-Bauteilen bei gleichzeitiger Kostenersparnis.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 20/2020 (Download PDF)

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