Mondflug für MARE: Unser Strahlungsmessgerät M-42 mit smarter Lösung zum Stromsparen
Ein Teil des MARE-Experiments sind die 16 Strahlungsmessgeräte mit dem Namen M-42, die unsere Arbeitsgruppe Biophysik der Abteilung Strahlenbiologie am DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin entwickelt, getestet und jetzt auch final für die NASA-Mission Artemis-1 gebaut hat. M-42 ist ein aktives Strahlungsmessgerät. Es braucht also Strom, um den Strahlungsdetektor (eine kleine Si-Diode) und die dazugehörige Mess-Elektronik zu versorgen, um die dabei generierten Messdaten abzuspeichern. Die Stromzufuhr kann entweder direkt über ein USB-Kabel oder über Batterien erfolgen, die einfach an zwei Anschlüssen in unser M-42 eingestöpselt werden.
Das klingt im Prinzip alles ganz einfach. Aber jeder, der schon einmal gehofft hat, sein Handy möge bis zur nächsten Lademöglichkeit durchhalten, weiß um unsere Abhängigkeit von Batterien beziehungsweise Akkus und deren Kapazität. In diesem Zusammenhang haben wir gerade bei dieser Mission ein großes Problem: Unsere M-42-Messgeräte und unsere Messkörper Helga und Zohar sind zwar Teil der NASA-Mission Artemis-1, aber wir bekommen keine Daten- und Stromschnittstelle zum Orion-Raumschiff. Unser gesamtes Setup muss vollkommen autark von dem Raumfahrzeug funktionieren. Das bedeutet, dass wir für die gesamte Dauer der Mission auf Batterien angewiesen sind. Erschwerend kommt hinzu, dass zwischen dem Einbau der Geräte bis zum Missionsstart mehrere Wochen vergehen können. Das entspricht der Wartezeit auf dem Launch Pad. Schlimmstenfalls kann die Zeit sogar auf bis zu zwei oder drei Monate ausgedehnt werden. Die eigentliche Flugdauer wird dann noch einmal bis zu 42 Tage betragen.
Und jetzt stellen wir uns ein Handy vor, das mehrere Monate mit einer einzigen Akkuladung durchhält – eher unwahrscheinlich. Unsere wichtigste Frage lautete also: Wie können wir ein Messgerät bauen, das mit Batterien betrieben ist und dann auch noch eine derart lange Zeit funktionieren kann? Die erste Herausforderung richtet sich damit an den Wissenschaftler, der die Mess-Elektronik entwickelt, denn der Stromverbrauch muss so gering wie möglich sein.
Das M-42 verbraucht wirklich kaum Strom und kann mit den zwei enthaltenen Batterien auf jeden Fall über die maximal Missionsdauer von 42 Tagen messen. Doch die eventuell monatelange Wartezeit lässt sich mit diesen Batterien vom Einbau zum Start noch nicht überbrücken. Daher lautet die nächste Herausforderung an den Entwicklungsingenieur: Bitte denk darüber nach, wie wir das Problem lösen können und bau dann ein System, das noch besser funktioniert! (Natürlich werden diese beiden Fragen in der Entwicklung der Elektronik gleichzeitig gelöst, ich habe sie jetzt nur getrennt, um die Spannung zu steigern.)
Auf die Lösung dieses Problems sind wir schon ein bisschen stolz, denn nicht nur, dass wir diese komplexe Aufgabe überhaupt lösen konnten, nein, wir halten unseren Weg auch für sehr elegant: Wir haben in unser M-42-Messgerät einen Beschleunigungssensor eingebaut, denn sobald eine Rakete startet, entsteht eine zusätzliche, nach oben gerichtete Beschleunigung, die von dem Sensor gemessen werden kann.
Damit arbeitet unser M-42 jetzt nach dem folgenden Prinzip: Nachdem die Batterien angeschlossen sind, befindet sich M-42 im „Schlafmodus“, das heißt es erfolgt keine Messung der Strahlungsumgebung, sondern der Prozessor des M-42 fragt nur alle paar Sekunden den Beschleunigungssensor: „Lieber Sensor, stellst du eine erhöhte Beschleunigung über eine längere Zeit fest?“ Ist das nicht der Fall, bleibt alles im Schlafmodus. Wird aber plötzlich diese erhöhte Beschleunigung registriert, „weckt“ der Sensor die Elektronik und M-42 wechselt in den Messmodus. Es misst ab diesem Zeitpunkt und speichert schön alle fünf Minuten die Messdaten ab – und zwar so lange, bis die Batterien leer sind.
Eventuell stellt sich hier jetzt die Frage: Alles schön und gut – aber habt ihr euren Beschleunigungssensor und das Umschalten vom Schlaf- in den Messmodus auch getestet? Klare Antwort: Aber natürlich! Unser M-42 ist bisher bereits dreimal als „Piggiback Payload“ von Experimenten der Abteilung Gravitationsbiologie des DLR-Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin im Rahmen der DLR-MAPHEUS-Missionen (MAPHEUS-7, -8 und -10) geflogen und hat bewiesen, dass das Umschalten vom Schlaf- in den Messmodus beim Feststellen von Beschleunigung problemlos funktioniert.
Wer das einmal genauer nachlesen will, sei gern auf unsere Publikation über das M-42-Instrument verwiesen (OPEN ACCESS): Berger, T., Marsalek, K., Aeckerlein, J., Hauslage, J., Matthiä, D., Przybyla, B., Rohde, M., Wirtz, M. (2019). The German Aerospace Center M-42 radiation detector – a new development for applications in mixed radiation fields. Review of Scientific Instruments, 90, 125115 (siehe dort: Kapitel IV B: The MAPHEUS campaigns).
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