Wegbereiter auf der Suche nach Gravitationswellen

Technische Herausforderungen der Mission LISA Pathfinder

Nico Brandt
12. Dezember 2008

LISA Pathfinder, ein Technologiesatellit der ESA mit Starttermin 2010, hat sich zum Ziel gesetzt, die Schlüsseltechnologien der LISA (Laser Interferometer Space Antenna) Mission zu verifizieren. Das Missionsziel von LISA ist die direkte Detektierung von Gravitationswellen und die Charakterisierung deren Quellen. Das LISA Raumflugsegment besteht aus drei Satelliten, die im Abstand von etwa 60 Millionen Kilometern in Form eines nahezu gleichseitigen Dreiecks in heliozentrischer Bahn vor oder hinter der Erde fliegen. Die Kantenlänge des aufgespannten Dreiecks beträgt 5 Millionen Kilometer.

Innerhalb jedes der drei Satelliten befinden sich zwei kubische Testmassen, die als inertiale Referenzpunkte dienen. Um die Detektion

von Gravitationswellen zu ermöglichen, werden zwischen den drei Satelliten Laserstrahlen ausgetauscht. Mit Hilfe dieser Laserstrahlen wird ein Interferometer aufgebaut das den Abstand zwischen jeweils zwei Testmassen mit einer Empfindlichkeit von etwa 12×10-12 m/√Hz bei 1 mHz bestimmt. Um die hohe Messempfindlichkeit auch bei kleinen Frequenzen zu garantieren ist es notwendig, die Testmassen von äußeren Störungen, beispielsweise durch den Sonnenwind oder die Autogravitation des Satelliten selbst, zu isolieren. Dies wird durch den Instrumentenentwurf und das Regelungssystem, dem sogenannten Drag-Free Control System, erreicht. Dabei werden mit Hilfe eines Mikro-Newton Schubsystems die einzelnen Satelliten in sechs Freiheitsgrade relativ um die zwei an Bord befindliche Testmassen kontrolliert. Das Ziel ist es eine störungsfreie Umgebung mit einer Restbeschleunigung von 3×10-15 m/s2/√Hz bei 0.1 mHz auf die Testmassen herzustellen.

Die zwei Schlüsseltechnologien der LISA Mission, die optische Metrologie und die Bereitstellung einer störungsfreien Umgebung mithilfe eines hochpräzisen Instruments und dessen Regelungssystems, sind die Missionsziele des Technologiedemonstrators LISA Pathfinder. In der Präsentation werden neben den Grundlagen auch die besonderen technischen Herausforderungen bei der Entwicklung und Implementierung dieser Mission vorgestellt. Hierzu zählen die Kontrolle der inneren Störkräfte, die Regelung der parasitären Ladung der Testmassen sowie die Ansteuerung des elektrostatischen Stellsystems. Außerdem werden Alternativkonzepte vorgestellt, wie z.B. der Einsatz von kugelförmigen anstelle von kubischen Testmassen.

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