Völlig losgelöst - Rose-L-Mission im All. Airbus wird bei Satellitenbau von Ersa unterstützt Anwenderbericht

Am 03. Dezember 2020 wurde der Vertrag über die Entwicklung der Umweltüberwachungs-Mission „Radar Observing System for Europe in L-band“ (ROSE-L) unterzeichnet. ROSE-L ist ein wichtiger Teil des Copernicus Programms der Europäischen Union (EU) und wird kofinanziert von der Europäischen Weltraumorganisation (European Space Agency, kurz ESA). Thales Alenia Space ist der Hauptauftragnehmer der Mission während Airbus Defence and Space das hochanspruchsvolle Radarinstrument liefert. Mit dem für 2028 geplanten Start wird ROSE-L eine kontinuierliche Tag-und-Nacht-Überwachung des Festlandes, der Ozeane und des Landeises ermöglichen und aus 690 km Höhe häufig Bilder mit hoher räumlicher Auflösung liefern. Während seiner 7,5-jährigen Lebensdauer wird die ROSE-L-Mission wichtige Informationen über Wälder und Bodenbedeckung liefern, die zur verbesserten Überwachung des terrestrischen Kohlenstoffkreislaufs beitragen. Durch die Mission werden selbst kleinste Oberflächenverschiebungen und mögliche Georisiken besser bzw. überhaupt erst erkannt. Ausgelegt auf den 1,25-GHz-Bereich, werden die zwei Satelliten (Nr.2 folgt in 2030) der ROSE-L-Mission die bereits im All aktiven Sentinel-1-Satelliten (5 GHz) mit ihren neuen Funktionen und Möglichkeiten sinnvoll ergänzen. ROSE-L wird automatisch die Bodenfeuchtigkeit kartieren und das See- und Landeis überwachen, was der Erforschung und Eindämmung des Klimawandels zugutekommt. Ebenso gelingt die Messung von Bodenfeuchte sowie Pflanzen- und Artenbestimmung (gute Unterstützung etwa für die Landwirtschaft) und auch ein Einsatz bei Naturkatastrophen ist denkbar – bei komplett offenem Datenzugang für die Nutzer.

Airbus Defence and Space baut Radarantenne für ROSE-L

Kurz nach Vertragsunterschrift begannen sich auch bei Airbus Defence and Space am Standort Immenstaad Ende 2020 die Projekträdchen zu drehen, wo die Produktion der Radarantenne angesiedelt ist. Es handelt sich hierbei nicht um irgendeine Radarantenne – mit 11 m x 3,6 m ist es die größte SAR-Planarantenne, die jemals gebaut wurde. Die Herausforderung war die Entwicklung eines neuen, innovative Radarantennen-Konzepts bestehend aus 60 Einzelboards mit Abmessungen von 2,2 x 0,3 m unter Verwendung von Leichtbaustoffen. Die Antennenfläche ist dreimal größer als beim bisherigen Flaggschiff-Satelliten Sentinel-1, wobei das Gewicht der Antenne wie bisher 700 kg nicht überschreiten darf. Klassischer Fall für einen Sandwich-Aufbau mit hoher Steifigkeit bei geringem Gewicht – Herzstück in der Mitte: das Hochfrequenz-Verteilnetzwerk mit einer hauchdünnen Platine. Fünf Segmente mit insgesamt 60 Einzelboards zu jeweils 2,5 kg werden pro Satellit benötigt – mit einer gewissen Reserve (für Demonstrations- und Messzwecke) beläuft sich die Fertigung alles in allem auf rund 135 Baugruppen mit knapp 39.000 Einzellötungen.

Funktionierende Leichtbau-Lösung

Christian Lausch, verantwortlicher Development Engineer in der Airbus-Abteilung Mechanic & Mechatronic Development Engineering, und sein Kollege Harald Arlt, bereits seit 14 Jahren bei Airbus, warfen ihr gesamtes Know-how in die Waagschale, um eine funktionierende Leichtbau-Lösung zu entwickeln. Ursprünglich war eine Anwendung mit Dampfphasenlöten angedacht – prinzipiell wäre dies möglich gewesen. Nachteil: Man hätte das 2,2 m lange Board segmentieren müssen, wodurch Festigkeit verlorengegangen wäre. Klar war aber auch, dass die spätere Anwendung den Weltraum „sehen“ und dadurch erheblichen Temperaturschwankungen und äußeren Einflüssen ausgesetzt sein würde. Anders als etwa eine „on board“ verpackte Satellitenelektronik, die selbst im Weltraum noch von einer schützenden Hülle umgeben ist. So nahmen die Airbus-Experten Abstand von dem Dampfphasenlötprozess, denn die gesuchte Anwendung musste größtmögliche Widerstandsfähigkeit bieten. Man suchte weiter – und wurde beim existierenden Maschinenpark der eigenen Reinraumfertigung fündig, mit dem bis vor kurzem Flugelektronik (Platinen und Onboard-Systeme) produziert worden war. Nachdem diese Fertigung intern verlagert wurde, kamen die Maschinen wieder in den Zugriff des Development Engineering. Darunter gab es auch eine Miniwellen-Selektivlötanlage vom Typ ECOSELECT 2 – nach kurzer Analyse stand fest: Breite passt, Höhe passt, vielleicht könnte Airbus damit die benötigten Baugruppen von 2,2 m x 0,3 m und nur 0,4 mm Dicke in Verbindung mit einem Niedertemperaturlot fertigen?

Finale Lötversuche in Wertheim

Dies war der Zeitpunkt, um mit dem Lötmaschinenhersteller Ersa in Kontakt zu treten – und eine Einschätzung einzuholen, ob das geplante Vorhaben machbar sei. Schnell kam man ins Rollen, im Januar 2021 nahm man die Konkretisierung eines Testaufbaus für eine Machbarkeitsstudie in Angriff, ab März fand eine erste Versuchsreihe bei Ersa statt, in dem es unter anderem um Schlitze und Streifen, Lötstellengeometrie, Werkstückträger plus Niederhalter, Lotauswahl, Lötparameter und Bewegungsablauf ging. Im September startete bei Airbus eine zweite Versuchsreihe – mit einem neuen Testboard mit vier Ringen im Originaldesign, neuem Warenträger für das Ringdesign inklusive Niederhalter und Ringschlitzen in unterschiedlicher Geometrie. Anfang Januar 2022 dann die finalen Lötversuche in Wertheim mit einem Zinn-Bismut-Lot. Diese verliefen erfolgreich, so dass der Weg frei war für die Beauftragung von Ersa für einen Anlagenumbau der ECOSELECT 2 samt Konstruktion und Bau eines passenden Warenträgers von 2,4 m Länge. „Die Herausforderung war enorm, schließlich ging es nicht um eine klassisch durchkontaktierte Leiterplatte, sondern ein 0,4 mm dünnes Hightech CFK-Substrat, vollflächig kupferbeschichtet, ohne Lötstopplack. Die Länge der Schlitze mit 20 mm warf etliche Fragen auf, ob das tatsächlich in einem Vorgang zu löten sei. Wir haben schon unterschiedlichste Geometrien gelötet. Aber dieses Projekt war auch für uns Neuland. Aus anderen Projekten wussten wir, dass das Lot bei großen Kupferflächen dazu neigt, irgendwohin zu fließen – nur nicht an die geplante Stelle. Aber wir haben es tatsächlich in enger Zusammenarbeit mit dem Airbus-Team geschafft“, sagt Jürgen Friedrich, Leiter Anwendungstechnik bei Ersa und seit über 25 Jahren im Unternehmen. Im Juli 2022 erfolgte schließlich der Anlagenumbau durch Ersa am Bodensee, bei dem auch die Umstellung von Zinn-Blei auf Zinn-Bismut erfolgte. Eine große Herausforderung war dabei unter anderem die Anpassung der Anlagensteuerung zur Prozessierung des 2,4 m langen Warenträgers in einem Durchlauf. Ersa hat damit ein komplettes System für eine außergewöhnliche Anwendung geliefert und vor Ort erfolgreich in Betrieb genommen.

Für die fünf Segmente umfassende Radarantenne eines ROSE-L-Satelliten werden 60 gelötete Ringsegment-Baugruppen benötigt und auf der Ersa ECOSELECT 2 produziert. Pro Satellit sind 1.440 einzelne Ringe mit jeweils zwölf gelöteten Schlitzen aufzubringen. Wenn beide Satelliten – versetzt um 180° – ab 2030 in 690 km Höhe die Erde umrunden, liefern sie alle sechs Tage einen kompletten Scan der Erde – und wertvolle Daten, um zeitnah auf kurzfristige Änderungen zu reagieren. „In der Rückschau ist es schon sehr bemerkenswert, wie schnell wir zu einer Lösung gekommen sind. Wir stehen jetzt kurz vor Abschluss der Qualifizierungsphase und starten im Frühjahr mit der Flugteile-Fertigung, die über einen Zeitraum von etwa zwei Jahren erfolgen wird – danke noch mal ans Ersa Team, namentlich an Jürgen Friedrich und die Vertriebs- und Prozessingenieure Mark Birl und Lothar Rodemers, die zur Umsetzung dieser Anwendung beigetragen haben“, sagt Christian Lausch beim abschließenden Besuch der Reinraum-Produktion. Von der Tribüne wandert der Blick hinunter in die Fertigung, wo die fertigzustellenden 2-Tonnen-Satelliten wie Fledermäuse am Lastenkran hängen – mit zusammengefalteten Solarzellen-Flügeln zur Energiegewinnung, die sie später in den Weiten des Alls entfalten, um wichtige Informationen zurück zum blauen Planeten zu senden …