Gammastrahlen-Detektor wie eine Handykamera: Ein Roboterarm bringt ihn im Orbit in Position
Die NASA schickt einen neuartigen Gammastrahlen-Sensor ins All, der wie ein Kamerasensor funktioniert. Ein Roboterarm wird ihn im Orbit umsetzen - und damit gleich zwei Technologien auf einmal erproben.
Die energiereichsten Lichtblitze des Universums entziehen sich bislang einem präzisen Blick. Ausgerechnet in dem Energiebereich, in dem Gammastrahlenausbrüche am hellsten leuchten und die massereichsten aktiven Galaxien glühen, sind herkömmliche Detektoren nahezu blind. Ein neuartiger Siliziumsensor, der wie ein Handykamerachip funktioniert, soll das ändern - und ein Roboterarm wird ihn im All in die richtige Position rücken.
Die blinde Lücke im Gammalicht
Gammastrahlen sind die energiereichste Form von Licht. Sie entstehen bei Blitzen in der Erdatmosphäre, bei gewaltigen Sonneneruptionen und bei kosmischen Kollisionen in fernen Galaxien. Weltraumteleskope wie das Fermi Gamma-ray Space Telescope und das Neil Gehrels Swift Observatory beobachten diese Strahlung seit Jahren - auch bei extrem hohen Energien. Doch zwischen 500.000 und einer Million Elektronenvolt (eV) werden selbst diese Instrumente unempfindlich. Zum Vergleich: Sichtbares Licht bewegt sich bei mageren zwei bis drei Elektronenvolt. Gerade in diesem Bereich aber strahlen Gammastrahlenausbrüche am intensivsten, und auch die fernsten, von Schwarzen Löchern angetriebenen Galaxienkerne zeigen dort ihre stärkste Leuchtkraft. Wer die Prozesse hinter diesen Himmelsereignissen verstehen will, braucht also Detektoren, die genau diese Lücke schließen.
Pixel wie im Smartphone - aber für höchste Energien
Genau hier setzt AstroPix an, ein neuartiger Gammastrahlen-Sensor, den das Goddard Space Flight Center der NASA entwickelt hat. Jeder AstroPix-Chip enthält vier Silizium-Pixel-Detektoren, und jeder dieser Detektoren besteht aus 1.225 Pixeln. Das Funktionsprinzip ähnelt den Sensoren in Handykameras - nur dass AstroPix nicht auf sichtbares Licht, sondern auf Gammastrahlung zwischen 20.000 und 700.000 Elektronenvolt reagiert. Durch das Stapeln mehrerer solcher Chips in künftigen Missionen könnten Forscher die Empfindlichkeit im entscheidenden Energiebereich drastisch steigern und so die blinde Lücke endlich füllen.
Doch bevor die Technologie in großen Wissenschaftsmissionen fliegen kann, muss sie sich unter realen Weltraumbedingungen bewähren. „Wir müssen die Leistung von AstroPix gründlich testen, bevor wir die Sensoren in zukünftigen Wissenschaftsmissionen einsetzen können“, erklärt Dan Violette, Postdoktorand am Goddard Space Flight Center und Mitglied des AstroPix-Teams. „Wir haben vergleichbare Technologien bereits auf einem wissenschaftlichen Ballonflug erprobt, und der aktuelle Prototyp wird Teil einer Höhenforschungsraketen-Nutzlast sein. Viele dieser Flugmöglichkeiten erreichen jedoch nur den erdnahen Weltraum. Es kommt nicht oft vor, dass eine Technologiedemonstration wie unsere eine Mitfluggelegenheit in den Orbit bekommt.“
Ein Roboterarm als Testplattform
Diese seltene Gelegenheit bietet die NASA-Mission Fly Foundational Robots, die für Ende 2027 geplant ist. Im Zentrum steht ein Roboterarm, der von Rocket Lab Robotics bereitgestellt wird. Er soll im Orbit eine sogenannte Orbital Replacement Unit - einen beweglichen, würfelförmigen Behälter mit knapp 30 Zentimetern Kantenlänge - aufnehmen, umsetzen und wieder absetzen. Das eigentliche Ziel: demonstrieren, dass sich Nutzlasten im All robotisch austauschen lassen, um Satelliten und Instrumente kostengünstig aufzurüsten, ohne gleich eine ganze Mission ersetzen zu müssen.
Ursprünglich war die Orbital Replacement Unit als leerer Testkörper vorgesehen. Doch im Laufe der Missionsentwicklung erkannte das Team, dass der Würfel über Volumen, Stromversorgung und Datenschnittstellen verfügt - perfekt, um eine zusätzliche Technologiedemonstration unterzubringen. „Die Einheit hatte bereits das Volumen, die Energie und die Datenanbindung, die das AstroPix-Design benötigte“, sagt Bo Naasz, leitender Technikexperte für In-space Servicing, Assembly, and Manufacturing im Space Technology Mission Directorate der NASA. „Eines unserer Hauptziele mit Fly Foundational Robots ist es, den robotischen Wechsel von Nutzlasten im Orbit vorzuführen, um Upgrades oder Verbesserungen an Satelliten und Weltrauminstrumenten zu einem Bruchteil der Kosten einer vollständigen Mission zu ermöglichen. Dass AstroPix dabei seine eigene Technologiedemonstration im Orbit absolvieren kann, ist ein Bonus.“
Zwei Fliegen mit einer Klappe: Technologiedemonstration im Doppelpack
Die AstroPix-Nutzlast trägt den Namen A-STEP (AstroPix Satellite Technology dEmonstration Payload). Sie wird in die Orbital Replacement Unit integriert und sammelt ihre Daten, nachdem der Roboterarm die Einheit bewegt hat. So lassen sich nicht nur die Gammastrahlen-Sensoren unter Weltraumbedingungen charakterisieren, sondern auch das Zusammenspiel von Mechanik, Elektronik und Datenübertragung bei einem robotischen Umsetzvorgang testen. Das Raumfahrzeug selbst liefert Astro Digital, ein Unternehmen aus Littleton, Colorado.
Die Kombination aus Halbleiterdetektor und Robotik ist kein Zufall. Beide Technologien zielen auf mehr Flexibilität im All: Während AstroPix mit seinen pixelgenauen Siliziumchips die Empfindlichkeit für hochenergetische Strahlung erhöht, soll der Roboterarm die Wartung und Aufrüstung von Satelliten revolutionieren. Gemeinsam erproben sie auf einer einzigen Mission, was künftige Observatorien und Servicemissionen voneinander lernen können.
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Das AstroPix-Team arbeitet daran, seine Hardware im September dieses Jahres auszuliefern. Anschließend wird sie in die Fly-Foundational-Robots-Nutzlast integriert, bevor der endgültige Einbau in das Raumfahrzeug erfolgt. Die Orbital Replacement Unit beherbergt dann die Chips samt aller Elektronik für Stromversorgung, Datenerfassung und Übertragung während des Flugs.
Gelingt die Demonstration, könnten gestapelte AstroPix-Detektoren in Zukunft jene Gammastrahlen-Lücke schließen, die heutige Teleskope offenlassen. Sie würden den Blick frei geben auf die hellsten Phasen von Gammastrahlenausbrüchen und auf das Leuchten der massereichsten aktiven Galaxien - und damit auf fundamentale Prozesse, die das Universum antreiben. Dass ein Roboterarm dabei hilft, diesen neuen Blick zu justieren, zeigt, wie sehr sich Halbleitertechnik und Robotik im All gegenseitig beflügeln können.
Quellen:
- Building robust materials from start may ease critical mineral risks, perspective argues (Phys.org)
- After years of opposition, Mexico’s president is reconsidering fracking (Science - News)
- ‚Janus-faced‘ nanomaterials pave the way for selectively capturing radioactive pollutants (Phys.org)
- NASA Robotic Tech Demo Will Advance Prototype Gamma-Ray Detectors (NASA - Breaking News)
- Scientists built a battery-free device that turns sunlight into fuel (ScienceDaily - All)
- New iron - scandium catalyst extends carbon nanotube growth at high temperatures (Phys.org)
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