Neue Fluxgate-Kerne für Weltraummissionen: Fortschritte in der Magnetfeldmessung

IOWA CITY / LONDON (IT BOLTWISE) – Ein Team der University of Iowa, unterstützt von der NASA, hat bedeutende Fortschritte bei der Herstellung von Fluxgate-Kernen erzielt, die für die Messung von Magnetfeldern im Weltraum entscheidend sind. Diese Entwicklungen könnten die Erforschung von Weltraumwetterphänomenen, die unsere Kommunikations- und Stromnetze auf der Erde beeinflussen, erheblich vorantreiben.

Ein Team der University of Iowa (UI), das von der NASA unterstützt wird, hat die Fähigkeit der USA zur Herstellung hochpräziser Magnetfeldmessgeräte wiederhergestellt und weiterentwickelt. Diese Geräte sind entscheidend für die Untersuchung von Weltraumwetterphänomenen, die sowohl unsere Kommunikations- als auch unsere Stromnetze auf der Erde beeinflussen können.

Fluxgate-Magnetometer sind weit verbreitete Instrumente in der Weltraumforschung und bei der Überwachung von Weltraumwetter. Sie basieren auf einem ferromagnetischen Kern, der ursprünglich für die US-Marine entwickelt wurde. Die Technologie zur Herstellung dieser Kerne ist jedoch im zivilen Bereich verloren gegangen. Das Team der UI hat nun eine Methode entwickelt, um neue Fluxgate-Kerne herzustellen, die nicht auf veraltete Prozesse oder Materialien angewiesen sind.

Die Herstellung der ferromagnetischen Kerne beginnt mit Metallpulvern, die zu speziellen Legierungen geschmolzen, zu dünnen Folien gewalzt und in die gewünschte Geometrie geformt werden. Durch gezielte Wärmebehandlung werden die magnetischen Eigenschaften optimiert. Diese Kerne werden dann in moderne Raumflug-Magnetometer integriert, die für verschiedene Missionen angepasst werden können.

Ein bemerkenswertes Beispiel für die Anwendung dieser Technologie ist der Space Weather Iowa Magnetometer (SWIM) Sensor. Dieser Sensor basiert auf einem zuvor entwickelten Kern für das MAGIC Tesseract-Sensorprojekt, das kürzlich auf der NASA-TRACERS-Mission gestartet wurde. Der SWIM-Kern ist jedoch miniaturisiert und bietet die gleiche Leistungsfähigkeit. Der erste Flug des SWIM-Sensors ist für die ICI-5bis-Sondierungsraketenmission der Universität Oslo geplant, die im Winter 2025/2026 starten soll.

Die Fluxgate-Magnetometer erfassen das Magnetfeld, indem sie die elektromagnetische Kraft (EMF) detektieren, die durch den sich ändernden magnetischen Fluss induziert wird. Der Strom wird in die Antriebswicklung des Kerns geleitet, wodurch ein Magnetfeld erzeugt wird. Wenn das ferromagnetische Material im Kern diesem Magnetfeld ausgesetzt wird, ändert sich seine relative Permeabilität, was eine Spannung in der Messwicklung induziert. Durch die Kenntnis des in den Kern geleiteten Stroms und der induzierten Spannung kann das erlebte Magnetfeld verstanden werden.

Die Herstellung dieser neuen Kerne ist nun gut dokumentiert, und etwa 90 % der produzierten Kerne weisen eine Rauschuntergrenze auf, die mit oder besser als die der früheren Kerne vergleichbar ist. Dies ermöglicht es der UI, Kerne für das SWIM-Payload und potenzielle zukünftige Missionen in Serie zu produzieren.

Der neue SWIM-Magnetometer-Entwurf weist drei wesentliche Änderungen im Vergleich zum vorherigen MAGIC-Instrument auf. Der Sensor wurde vereinfacht und verkleinert, und sein Stromverbrauch wurde reduziert, ohne die Messleistung zu beeinträchtigen. Diese Änderungen erleichtern die Unterbringung auf einem Magnetometer-Ausleger. Zudem wurde die Topologie der gepaarten Elektronik in jedem Magnetometerkanal neu gestaltet, was die Verwendung von Teilen mit niedrigerer Leistung ermöglicht, die eine höhere Strahlenbelastung tolerieren.

Die kompakte SWIM-Konstruktion reduziert die Sensorgröße um etwa 30 % im Vergleich zum MAGIC-Sensor, wobei eine weitere Reduzierung der Sensormasse wahrscheinlich ist, da das mechanische Design optimiert wird. Der SWIM-Sensor kann auch mit einer leichten Kohlefaser-Verbundabdeckung hergestellt werden, um eine Sensormasse von etwa 110 g zu erreichen, was die Unterbringung auf kleinen Satellitenauslegern erleichtert.

Durch die Verwendung von drei kleineren Kernen mit verbesserter Metallurgie anstelle von sechs großen Kernen konnte der Stromverbrauch des SWIM-Sensors im Vergleich zum MAGIC-Sensor um das Zweifache reduziert werden. Diese Verbesserung wirkt sich positiv auf die Fähigkeit zur Auslegerausbringung aus, da die Wärmeabgabe am Sensor erheblich reduziert wird, was die thermischen Gradienten minimiert, die die Auslegerverformung beeinflussen können.

Die SWIM-Fluxgate-Konstruktion ermöglicht mehr zukünftige Anwendungen in verschiedenen Umgebungen, ohne die Leistung der MAGIC-Sensoren zu beeinträchtigen. Das UI-Team freut sich auf mehrere bevorstehende Fluggelegenheiten für SWIM, darunter die Observing Cusp High-altitude Reconnection and Electrodynamics (OCHRE) und ICI5bis Sondierungsraketen.

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