Hybrid-Wälzlager im Satelliten auf 7-jähriger Merkur-Mission

Details: Zuletzt aktualisiert: 09.04.2023; Zugriffe: 3647

Am 20. Oktober 2018 um 03:45 MESZ startete die vierteilige Raumsonde Bepi Colombo in der Trägerrakete Ariane 5 ihre Reise zum Merkur. Mit an Bord: Wälzlager des Minebea Mitsumi Tochterunternehmens Cerobear. Der Launch der Raumfahrtmission fand in Kourou (Französisch-Guayana) statt.

Die Mission ist eine Kooperation der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) und der ESA (European Space Agency). Voraussichtlich sieben Jahre wird die nach dem italienischen Mathematiker Giuseppe Colombo benannte Raumsonde unterwegs sein.

Der Merkur ist mit einem Durchmesser von 4.878 km der kleinste und zudem auch der am wenigsten erforschte Planet unseres Sonnensystems. Dies liegt an den unwirtlichen Bedingungen für Raumsonden in Merkur- und damit in Sonnennähe. Die Sonneneinstrahlung in der Merkur-Umlaufbahn ist etwa zehnmal höher als auf der Erde. Und auch die langen Merkur-Tage und -Nächte spielen eine Rolle: Der Wechsel zwischen Tag und Nacht dauert auf dem Merkur 176 Tage, weshalb die Temperatur auf der Sonnenseite mit etwa 430 °C extrem hoch und auf der Schattenseite mit minus 180 °C extrem niedrig ist. Durch die starken thermischen Belastungen müssen alle Geräte und Komponenten besondere Anforderungen an den Wärmehaushalt erfüllen.

Mit der Bepi Colombo ist nach Mariner 10 und dem Messenger-Orbiter erst die dritte Raumsonde auf Merkur-Expedition. Die beteiligten Wissenschaftler versprechen sich eine umfassende Beschreibung der planetaren Eigenschaften und der Geschichte des Merkurs. Einer der zwei Satelliten, die sich am Ziel von der Sonde trennen werden, soll die Oberfläche untersuchen, der zweite das Magnetfeld.

Laut Berechnung soll Bepi Colombo im Dezember 2025 das Ziel erreichen. Auf dem Weg müssen neun sogenannte „Swing-by-Manöver“ durchgeführt werden. Die Raumsonde passiert einmal die Erde im April 2020, danach zweimal die Venus und sechsmal Merkur selbst. Diese Manöver dienen dem Abbremsen, damit die 4,1 t schwere Sonde nicht ins Innere des Sonnensystems abstürzt.

Wälzlager im Satelliten

Die Wälzlager sind bei der aktuellen Merkur-Mission unter anderem im Solar Array Drive Mechanism des MPO (Mercury Planetary Orbiter), also im Satelliten, der die Oberfläche erkunden soll, eingesetzt. Durch die lange Reise und die extremen Bedingungen werden besondere Anforderungen an die Wälzlager gestellt: Nach sieben Jahren Stillstand müssen die Lager einwandfrei funktionieren und den hohen Temperaturschwankungen im Orbit des Merkurs wiederstehen. Daher sind für diese Mission Hybridlager eingesetzt, bei denen die Ringe aus Stahl und die Kugeln aus Siliziumnitrid bestehen. Nur so wird sichergestellt, dass es über den Start und die lange Reise auch ohne Schmierstoff nicht zu einem Kaltverschweißen zwischen Ringen und Kugeln kommt.

Cerobears Geschichte in der Luft- und Raumfahrt begann Anfang 2000 mit dem ersten Flug von keramischen Zylinderrollen in den Lagern der Flüssigwasserstoffpumpen des Space-Shuttles. Die Keramikrollen arbeiteten mit 36.200 min-1 bei Temperaturen von minus 250 °C und wurden nur mit flüssigem Wasserstoff geschmiert. Der Einsatz von Cerobear-Wälzkörpern verbesserte das Wartungsintervall der Triebwerke um den Faktor 12, während gleichzeitig die Nutzlast um 9 % gesteigert wurde. Die Wartungszeiten zwischen den Missionen wurden von 1000 h auf unter 50 h reduziert.

In Raumfahrtanwendungen müssen die Lager maßgeschneidert und auf eine lange Lebensdauer bei höchster Genauigkeit und geringer Reibung abgestimmt sein. Für Lager mit niedriger Drehzahl, die typischerweise in Weltraummechanismen eingesetzt werden, stehen weltraumtaugliche Werkstoffe und Beschichtungen zur Verfügung. Für die extremen Anforderungen kommen neue Wälzlagerstähle und Keramik zum Einsatz.