Fokalebenen-Modul für den Aufnahmesensor und das Modul mit Sensorsteuerelektronik
Fo­kal­ebe­nen-Mo­dul für den Auf­nah­me­sen­sor und das Mo­dul mit Sen­sor­steu­e­r­elek­tro­nik
Credit: ©ESA/C. Carreau

Fokalebenen-Modul für den Aufnahmesensor und das Modul mit Sensorsteuerelektronik

Hier sind das Fo­kal­ebe­nen-Mo­dul (FPM - Drei­ecks­form) und das Sen­sor­steu­e­r­elek­tro­nik (SEM) ab­ge­bil­det, die bei­de un­ter der Ver­ant­wor­tung des DLR Ber­lin ste­hen. Der FPM be­her­bergt die CHE­OPS CCD-De­tek­to­r­an­ord­nung und die Front End-Elek­tro­nik (FEE). Im SEM be­fin­den sich ei­ne Strom­ver­sor­gungs­ein­heit und ein Pro­zes­sor, der zur Steue­rung der FEE und zum Aus­le­sen des CCDs ver­wen­det wird. Leit­fä­hi­ge Wär­me­bän­der auf der Rück­sei­te des FPM bil­den die ther­mi­sche Ver­bin­dung zwi­schen dem FPM und den Küh­lern, die den CCD auf sei­ne Be­trieb­stem­pe­ra­tur von -40 ºC küh­len.

Die Berliner DLR-Institute für Optische Sensorsysteme und für Planetenforschung steuern zwei elektronische Module zur Mission CHEOPS bei - darunter das Herzstück des Satelliten, das Fokalebenen-Modul. Es enthält den CCD-Detektor mit seiner Elektronik. Außerdem ist das DLR an der wissenschaftlichen Auswertung der Messdaten beteiligt.

Die Herausforderung beim Design und Bau der beiden elektronischen Module war deren thermo-mechanische Stabilität. Die genaue Einhaltung der Arbeitstemperatur und der Stabilität sind ganz entscheidend für den Erfolg der CHEOPS-Mission, denn dadurch werden die hochgenauen Messungen erst möglich. Um die thermo-mechanische Stabilität zu erreichen, musste bei Entwicklung und Bau der Module technologisches Neuland betreten werden. Eine weitere Herausforderung stellte der enge Zeitplan dar: Beide Bauteile mussten in sehr kurzer Zeit, zwischen 2013 und 2017, entwickelt werden. Bereits im November 2017 wurde das Fokalebenen-Modul zur Integration in die Nutzlast an die Universität Bern geliefert. Im Mai 2018 folgte das Sensor-Modul.

Weil sehr kleine Variationen im Sternenlicht beobachtet werden sollen, sind die thermischen Anforderungen an diese Bauteile enorm: CCD-Detektor und die anschließende rauscharme Elektronik müssen auf einer konstanten Arbeitstemperatur gehalten werden. Die Temperaturschwankungen dürfen nicht größer als 1/100 Grad (10 mK) sein. Nur wenn diese Anforderung erfüllt wird, kann das wissenschaftliche Ziel, die Helligkeit der Sterne hochpräzise zu messen und den Radius des Planeten genauestens zu bestimmen, erreicht werden.

Im Fokalebenen-Modul (FPM) ist der CCD-Detektor integriert, das Herzstück von CHEOPS, auf den das Licht des Sterns einfällt. An den Seiten des Fokalebenen-Moduls liegen die Leiterplatten mit der Ausleseelektronik. Die Empfindlichkeit der Messung steht und fällt mit der thermischen Stabilität des Detektors und der Elektronik. Das Sensor Electronics Module (SEM) enthält weitere Elektronik zur Ansteuerung des Sensors (z.B. Temperaturregler, Prozessor und Software), ist aber etwas versetzt vom Fokalebenen-Modul eingebaut.

Um die thermo-mechanische Stabilität des Fokalebenen-Moduls zu erreichen, gibt es eine hochpräzise Temperaturregelung mit einem passiven Kühlelement (Radiator) und einem aktiven Heizer. Außerdem wurde die Struktur des Fokalebenenmoduls (FPM) aus einer speziellen Berylliumlegierung gefertigt, die sich durch eine sehr geringe Wärmeausdehnung und geringe Masse auszeichnet.

Weder beim CoRoT-Satelliten, noch bei den im Bau befindlichen PLATO-Satelliten mit seinen 26 Kameras gibt es eine solche hochstabile Temperatureinstellung. Die Temperaturschwankungen des Detektors werden bei diesen Missionen aus den Lichtkurven nachträglich herausgerechnet.

Ein weiteres technisches Novum der CHEOPS-Mission ist die Halterung zur thermischen Isolation des CCD-Detektors: Zum ersten Mal wurde in einem Satelliten-Projekt der ESA ein Bauteil an einer kritischen Stelle verwendet, das mit einem 3D-Drucker in einer Titanlegierung durch selektives Laserschmelzen hergestellt wurde. Das konstruktiv anspruchsvolle Design – das gesamte Bauteil ist etwa so groß wie ein Ei – hätte auf konventionelle Weise in dieser Form nicht umgesetzt werden können.

CHEOPS-Baugruppen
CHEOPS-Baugruppen
OTA Optical Telescope Assembly: Teleskop mit Star Tracker und Radiator; BCA Baffle and Cover Assembly: Schutzschild gegen Streulicht und Teleskopabdeckung; FPA Focal Plane Module: Modul mit CCD-Detektor, Ausleseelektronik und Regelung; SEM Sensor Electronics Module: Sensor-Elektronikmodul zur Datenverarbeitung und Stromversorgung der CCD; BEE Back-End Electronics: Digitalprozessor und Stromversorgung des gesamten Teleskops
Credit: DLR
Halterung mit dem CCD-Detektor
Halterung mit dem CCD-Detektor
Sie ist in das Fokalebenen-Modul (vergoldete Struktur links) eingebaut. Die Elektronik zum Auslesen des Detektors und die des Regelungssystems ist auf zwei Module verteilt: das Focal Plane Module (FPM, links) und den Sensor Electronics Module (SEM, rechts).
Credit: DLR
CCD-Detektor in der Halterung
CCD-Detektor in der Halterung
Der CCD-Detektor wird in einer Halterung aus einer Titanlegierung zur Temperaturisolierung fixiert. Zum ersten Mal in einem Satelliten-Projekt der ESA durfte dieses konstruktiv anspruchsvolle Teil an einer kritischen Stelle mit einem 3D-Drucker durch selektives Laserschmelzen gefertigt werden. Das Bauteil ist etwa so groß wie ein Ei.
Credit: DLR
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