Langlebige Laserdioden für den Weltraum

Unter den extremen Umweltbedingungen des Weltraums stoßen fast alle wissenschaftlichen Techniken, Prozesse und Komponenten an ihre physikalischen Grenzen. Für eine erfolgreiche Mission im All müssen alle Komponenten diesen enormen Beanspruchungen nicht nur standhalten, sondern auch dauerhaft volle Leistung bringen. Bei der Kommunikation werden sich viele Welt-raumorganisationen für den Einsatz von Lasertechnologien entscheiden, weil diese in der Lage sind, die Atmosphäre zu durchdringen und Signale durch Wasserdampf zu übertragen. Dabei nutzen die „Weltraumlaser“ ähnliche Wellenlängen wie in der klassischen Telekommunikation. Die dort verwendeten Gehäusevarianten sind jedoch nicht für die Anforderungen des Weltraums ausgelegt.

Im All müssen die Komponenten oft zwei Jahrzehnte oder länger ohne Wartung und Rekalibrierung funktionieren. Im Erdschatten müssen sie Temperaturen bis -55 °C standhalten, während im direkten Sonnenlicht bis zu 85 °C erreicht werden.

Zudem sind sie erheblichen mechanischen Einflüssen wie Stößen und Vibrationen ausgesetzt. Gleichzeitig sollen Größe, Gewicht und Stromverbrauch so gering wie möglich ausfallen, um die Kosten niedrig zu halten. Einen Laser für die Raumfahrt zu entwickeln ist daher immer eine sehr komplexe Aufgabe.

Die starke thermische Wechselbeanspruchung stellt die Hersteller vor eine besondere Herausforderung: Da in einem Bauteil Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet werden, können die Leistungen, die in die Faser eingekoppelt werden, stark schwanken. Über einen längeren Zeitraum hinweg besteht sogar die Gefahr, dass die von der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung verursachten Scherkräfte das Bauteil zerstören. Das Design des Diodenlaserchips und seine Montage im Gehäuse haben entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und -dauer des Lasers unter widrigen Umweltbedingungen. Militärische Laser haben heute eine Lebensdauer von über 500 Temperaturzyklen. Im Weltraum sollen sie Tausende davon überstehen. Letztendlich sind die Anforderungen der Raumfahrt die beste Voraussetzung zur Entwicklung besonders zuverlässiger Produkte.