Wärmemanagement Satellitenkomponenten im Weltall effizient kühlen

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Effizientes Thermomanagement ist eine zentrale Herausforderung der Raumfahrt. Das Fraunhofer HHI entwickelt dafür laserbasierte Verfahren, die Metalloberflächen gezielt strukturieren und so die Wärmeabgabe deutlich verbessern.

Im Weltall herrscht ein Vakuum – und genau das stellt ein Problem für weltraumtaugliche Elektronik dar: Die Abgabe von Wärme an die Umgebung durch Wärmeleitung ist nicht möglich, Bauteile können schnell überhitzen. Die einzige Möglichkeit, Wärme im Weltraum wieder abzugeben, ist die Abstrahlung in den Weltraum. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut (HHI), setzen hier an und funktionalisieren Metalloberflächen so, dass sie im Vakuum hocheffizient Wärme abstrahlen.

Hierbei wird Hitze durch einen Radiator in Wärmestrahlung umgewandelt. Damit dieses Verfahren effizient funktionieren kann, muss das eingesetzte Material die Wärmestrahlung maximal abgeben. Solche Oberflächenbehandlungen haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in verschiedenen Projekten unter anderem in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Exzellenzcluster Advanced Photon Sources CAPS entwickelt.

„Da blanke Metalloberflächen – etwa aus Aluminium gefertigte Außenwände von Satelliten, Außenseiten von Raketendüsen oder von Boxen, die Leistungselektronik enthalten – Wärme sehr schlecht abstrahlen, rauen wir sie per Laser auf. Die raue, strukturierte Oberfläche fungiert quasi wie ein Radiator und strahlt die Wärme sehr gut ab“, sagt Prof. Dr. Eike Hübner, Forschungsgruppenleiter und Wissenschaftler am Fraunhofer HHI. 

Wir können alle Geometrien entsprechend funktionalisieren, auch komplex geformte wie etwa gekrümmte Oberflächen.

Prof. Dr. Eike Hübner

Passive Kühlung auf Basis laserstrukturierter Oberflächen

Die Metalle werden mit einem Femtosekundenlaser bestrahlt, wodurch ein Teil der Oberfläche verdampft. Durch die extrem kurzen Laserpulse bleibt das Material unbeschadet. In die vorher glatte Oberfläche werden Kegel hineingelasert, die in der Größenordnung von einem Mikrometer sind. Mithilfe der Laserstrukturierung ist es den Forschenden am Fraunhofer HHI gelungen, die thermische Emissivität der rauen Oberflächen aus Aluminium, Edelstahl, Titan oder Kupfer auf 95 bis 99 Prozent zu erhöhen. Zum Vergleich: Die Emissivität der unbehandelten reinen Metalle beträgt etwa zehn Prozent.

Der Vorteil dieses Verfahrens: Die Oberfläche wird physikalisch optimiert, ohne dass sich das Material chemisch verändert. Zudem sorgen strukturierte Oberflächen für eine Kostenersparnis beim Start, da sich das Startgewicht von Trägerraketen durch den Wegfall von bislang verwendeten Lackbeschichtungen verringert. Im Gegensatz zu lackierten Oberflächen, die im Lauf der Zeit Lösungsmittel abscheiden, entfällt auch das Risiko des Outgassing, der Freisetzung von Gasen.

In Tests bestanden die strukturierten Flächen aus Aluminium Temperaturen von bis zu 650 Grad Celsius. Da sie bis zum jeweiligen Schmelzpunkt des verwendeten Metalls stabil bleiben, werden sie auf geeigneten Materialien auch bei Temperaturen über 650 Grad nicht beschädigt.

Optimierung von Farbe und Verfahren

Bislang ist die laserbehandelte, gefräste Oberfläche schwarz. Hübner und sein Team forschen derzeit daran, die funktionalisierten Bereiche weiß erscheinen zu lassen. „Satelliten sind, je nachdem auf welcher Seite der Erde sie sich befinden, der Bestrahlung durch die Sonne ausgesetzt. Schwarze Flächen absorbieren das Sonnenlicht, der Radiator wird also heiß. Dieses Problem wollen wir durch weiße Flächen vermeiden, die das Sonnenlicht reflektieren“, erklärt der Forscher.

Darüber hinaus entwickelte das Team den Laserprozess in Zusammenarbeit mit der Azimut Space GmbH weiter. Die kostspieligen und anfälligen Femtosekundenlaserverfahren sollen künftig durch günstigere, robuste Nanosekundenlaserverfahren ersetzt werden, die unter Reaktivgasatmosphäre, also unter reinem Sauerstoff, vergleichbare hineingefräste Strukturen in den metallischen Oberflächen erzeugen können. „Der Prozess wird sich dann zwar verlangsamen und wir werden nur eine Wärmeabstrahlung von etwa 85 Prozent erreichen, allerdings lassen sich dadurch die Investitionskosten deutlich reduzieren“, so Hübner.

Materialproben von der ISS auf dem Rückweg zur Erde

Einige vom Fraunhofer HHI laserstrukturierte Proben aus Aluminium und Titan befinden sich zu Testzwecken seit Dezember 2024 im Weltall. In einem Projekt mit der Europäischen Weltraumorganisation ESA und unter Beteiligung der Azimut Space GmbH wurden die thermisch hochemissiven Oberflächen als Strahlungskühlkörper zur Evaluation unter Realbedingungen an der Außenhülle der Internationalen Raumstation ISS in Flugrichtung angebracht.

Inzwischen sind die Metallproben auf dem Rückweg zur Erde. Die Auswertung und die Untersuchung auf Materialalterung, auf eventuelle Beschädigungen und Veränderungen der Wärmeabstrahlungswerte stehen also noch aus.

Prof. Dr. Eike Hübner

Ihre Forschungsergebnisse wollen der Forscher, seine Kollegin Hanan Al-Haddar und sein Kollege Dr. Ahmad Abdalwareth vom Fraunhofer HHI in dem Start-up Dythalis vermarkten. Die Fraunhofer-Ausgründung soll im Mai dieses Jahres an den Start gehen, als Kundenkreis adressiert sie vor allem Hersteller von Satelliten und Kleinsttriebwerken. Einen Monat später – vom 10. bis 14. Juni präsentieren die Forschenden auf der ILA 2026 in Berlin am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand Space in Halle B 240 elektronische Boxen und Düsen, die per Femtosekundenlaser strukturiert wurden.