RACOCO: Strahlungscharakterisierung und Funktionsprüfung von COTS-Bauteilen zur Anwendung im Weltraum

RACOCO: Strahlungscharakterisierung und Funktionsprüfung von COTS-Bauteilen zur Anwendung im Weltraum

Als COTS (Commercial Off-The-Shelf) werden aus Sicht der Raumfahrt rein kommerzielle Bauteile bezeichnet, die beispielsweise in der Automobil- und Luftfahrtbranche verwendet werden, also für Massenmärkte hergestellt werden. Im Vergleich zu den gängigen für Weltraummissionen verwendeten High Reliability (HiRel) Bauteilen haben COTS-Bauteile einige Vorteile: Die Beschaffungskosten sind niedrig, die Verfügbarkeit ist besser und es besteht die Möglichkeit modernste Fertigungsprozesse auf sie anzuwenden.

HiRel-Bauteile sind elektrische Bauteile, die eine extrem hohe und exakt geprüfte Zuverlässigkeit unter Strahlung bieten. Da sie nach hohen Standards hergestellt und umfangreichen Tests unterzogen werden, sind die Beschaffungskosten hoch. Für die Qualifizierung müssen bestimmte Prozesse garantiert sein, außerdem muss jede Charge eigens qualifiziert und Strahlungstests ausgesetzt werden, damit es als HiRel-Bauteil verkauft werden darf. Sollten diese Tests nicht bestanden werden, kann das Bauteil nicht als HiRel-Bauteil qualifiziert werden. Die Produktionsstraßen, die diese qualifizierten Prozesse beherrschen, werden häufig ausschließlich zur Herstellung der HiRel-Bauteile betrieben und der Stand der Technik von qualifizierten Bauteilen liegt meist einige Jahre zurück. Dies ist auch der sehr zeit- und kostspieligen Prozessqualifizierung geschuldet. Insgesamt besteht ein großer Aufwand für kleine Stückzahlen, was zu einem hohen Stückpreis führt.

Diese Prozessqualifizierung speziell für die Raumfahrt fehlt COTS-Bauteilen, wodurch sich unter anderem systematische Unzulänglichkeiten in der Technologie oder aber große Chargenabhängigkeiten von Bauteilen von Stück zu Stück oder über die Zeit ergeben können. Dies ist vor allem den sehr einmaligen Bedingungen im Weltraum geschuldet, welche für den Massenmarkt keine Relevanz haben. Dennoch müssen COTS-Bauteile die gleichen Anforderungen an die Strahlenhärte erfüllen wie HiRel-Bauteile, da sich die Physik im Weltraum nicht ändert.

Die ESA hat das Geschäftsfeld NEO des Fraunhofer INT damit beauftragt in systematischen Bestrahlungstests COTS-Bauteile unter extremen Bedingungen zu charakterisieren, wie sie für die Anwendung im Weltraum repräsentativ sind. Ein Ziel ist dabei durch geschickte Vorselektion mehrerer Bauteile für die gleiche Funktionalität das Ausfallrisiko zu verringern ohne den Preis stark zu erhöhen. Ein weiteres Ziel ist die Erstellung von Richtlinien, wie die auf HiRel-basierenden Standards auf COTS-Bauteile angepasst und somit kosteneffektive Testprozeduren entwickelt werden können.

Zunächst werden verfügbare COTS-Bauteile identifiziert und getestet, deren Funktionalität oder Eigenschaften den Anwendern, insbesondere der ESA, von Nutzen sein können. Dafür wird die sogenannte „spin-in“ Methode verwendet. Es werden also Technologien untersucht, die sich bereits in der Industrie bewährt haben, jedoch nicht für Weltraum-Anforderungen angepasst wurden. Die grundsätzliche Eignung wird durch eine Reihe von Vortests überprüft und Bauteile, die diesen Test bestehen, werden mit bewährten und standardisierten Testmethoden näher untersucht.  

Die Fragen, mit denen sich das Fraunhofer INT auseinandersetzen wird, werden unter anderem folgende sein:

1.    Wie kann man mit günstigeren Methoden als einem vollumfänglichen Test Aussagen über die Strahlenhärte machen, um hohe Testkosten für ungeeignete Bauteile zu vermeiden?

2.    Kann man mit diesen günstigeren Methoden Ergebnisse erzielen, die dennoch eine gewisse Verlässlichkeit haben?

3.    Wie aussagekräftig sind die Tests für das gleiche Bauteil aus einer anderen Charge?