Beim Betrieb von Satelliten, sowohl deren Strukturen als auch deren Nutzlasten, wie optischen Teleskopen, Teleskopen in anderen Wellenlängenbereichen, Antennen, Spiegeln oder je Teilen der vorgenannten Bauteile, ist es häufig wichtig, die Temperatur der Bauteile zu stabilisieren. Denn schon kleinste Temperaturschwankungen von wenigen Grad Celsius können zu einer Deformation der Geräte führen. Im Regelfall umkreisen die Geräte die Erde oder andere Planeten und tauchen ab und zu in den Erdschatten ein oder aus ihm auf. Per Definition sind die empfindlichen, hochgenau berechneten Bauteile direkt den äußeren Weltraumbedingungen ausgesetzt und damit der im Verlauf eines Orbits schwankenden Sonnenstrahlung. Auch der Einfallwinkel der Sonnenstrahlung und die bestrahlten Gebiete ändern sich laufend. Bei Teleskopen können solche kleinen Deformationen zu einer immensen Degradation der optischen Performance führen.

Auch der Betrieb von elektronischen Baugruppen oder das Laden und Entladen von Batterien, welches häufig periodisch stattfindet, führt ins solchen hochpräzisen Raumfahrtnutzlasten o- der in deren Plattformen zu zeitlich veränderlichen lokalen Wärmeeinträgen welche zu ungewollten Temperaturschwankungen führen. Die für die Erfindung interessanten Bauteile können also Außenbauteile (außen der Sonne ausgesetzt) oder Innenbauteile (im Inneren angeordnet) sein.

Gegen externe Umweltbedingungen werden herkömmlich Raumfahrtoptiken über sogenannte Bafflesysteme - so gut es geht - vor der Sonnen- oder Planeteneinstrahlung geschützt. Mit Baffles - auch eingedeutscht: Baffels - werden häufig (flächige) Gegenstände bezeichnet, die die Stärke der Einstrahlung reduzieren oder abschwächen sollen. Sie„schatten" das empfindliche Bauteil möglichst gut ab. Dies führt aber häufig dazu, dass die Baffles selber sich thermisch aufheizen oder stark verziehen und somit selbst zur Quelle mechanischer Deformationen werden. Sie müssen dann mit sogenannten iso-statischen Aufhängungen aufwendig von der restlichen Optik mechanisch getrennt werden. Zum Temperaturstabilisieren an sich ist es bekannt, aktive oder passive Systeme zu verwenden. In vielen Lebensbereichen werden Latentwärmespeicher benutzt - auf Englisch Phase Change Material, PCM. Wenn Bauteile aufgrund von schwankenden Wärmeströmen periodisch zu heiß oder zu kalt werden, können PCMs verwendet werden, um während der Auf- heizphase die überschüssige Wärme aufzunehmen und diese in der zu kalten Phase wieder abzugeben. Die Wärme wird von den PCMs dabei über Zustandsänderungen gespeichert und wieder freigesetzt. Während der Aufheizphase schmilzt das PCM und erstarrt wieder während der Abkühlphase. Für interne Warenlisten (elektronische Baugruppen, Batterien etc.) werden auch bereits aktive und passive Systeme verwendet. So werden diese Einheiten mittels Heat Pipes oder direkt an Radiatoren angebunden und vom restlichen Raumfahrzeug mittein Multi Layer Insolation (MLI) entkoppelt. Auch werden hierfür zur Stabilisierung der Temperatur bereits Latentwärmespeicher verwendet. Dies ist bereits vielfach publiziert:

M. Gottero, V. Perotto, R. Martino, B. Leyda and B. Ozmat, "Phase-change thermal capaci- tors for ExoMars 2016 Mission", ICES-2014-147, 44th International Conference on Environmental Systems, 13-17 July 2014, Tucson, Arizona Romain Peyrou-Lauga, Jean-Paul Collette, Nicolas Nutal, "Phase Change Material Heat Stor- age Device for Launchers and Orbiting Systems",ICES-2015-231, 45th International Conference on Environmental Systems, 12-16 July 2015, Bellevue, Washington

Aus der US 9,395,123 Bl ist ein solches tragbares Latentwärmespeichersystem zur Kühlung kleiner Raumfahrt-Nutzlasten bekannt.

Aus der US 2016/0288928 AI ist ein solches PCM-System zum Kühlen einer Elektronikbox an Bord eines Satelliten bekannt. Dort ist ein eigenes PCM-Element vorgesehen, das wärme- leitend an der Elektronikbox befestigt ist. Das Problem dabei ist, dass durch die zusätzliche Masse des PCM-Elements die sowieso schon äußerst wertvolle Nutzlast des Satelliten verringert wird. Aus dem Artikel„Heat-transfer Characteristics of a Light-weight, Fin-integrated PCM Unit manufactured by Additive Manufacturing" von Ryuta Hatakenaka et al., vorgetragen auf der 47 ^th International Conference on Enviromental Systems, 16-20 July 2017, Charleston, South Carolina, USA (ICES-2017-346), ist eine Wärmespeichereinheit für Raumfahrtanwendungen bekannt, die mittels Additivem Manufacturing (auf Deutsch: 3-D-Druck) hergestellt wurde. Diese Wärmespeichereinheit ist zwar relativ leicht, aber eben auch wieder ein eigenes Bauteil, das Zusatzgewicht in das Raumfahrzeug (den Satelliten) bringt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Latentwärmespeicher für Raumfahrtanwendungen bereitzustellen, der möglichst wenig Zusatzgewicht einbringt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Bauteil des Raumfahrzeugs, welches durch Umwelteinflüsse seine Temperatur verändert (e.g. Baffle, Antenne, Spiegel, Thermoelastisch sensible Struktur, etc.) oder Bauteil welches durch verschiedene Betriebsmodi die Wärmeabgabe und damit die Temperatur verändert doppelwandig ausgeführt wird, dass sich zwischen den beiden Wänden Stützstrukturen und ein Latentwärmespeichermedium befinden und dass das Bauteil mittels 3-D-Druck hergestellt ist. Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß ist also kein eigenes, gewichtsbehaftetes Bauteil vorgesehen, sondern die sowieso vorhandene Struktur oder Außenwand wird mitbenutzt. Sie wird mit ihrer Form im Wesentlichen beibehalten, aber sie wird in zwei Wände geteilt, es wird also eine zweite Wand eingezogen, so dass ein Zwischenraum entsteht, in den dann das Latentwärmespeichermedium eingebracht wird. Um die beiden Wände aneinander zu befestigen, werden Stützelemente dazwischen eingebracht. So wird eine Temperaturstabilisierung (heat sink) erreicht, ohne das Gewicht eines eigenen Bauteils mitnehmen zu müssen. Der erfindungsgemäße Einsatz von 3- D-Druckern erlaubt ein gleichzeitiges Herstellen der Wände und der Stützstrukturen in beliebigen Formen. Komponenten, zum Beispiel von optischen Nutzlasten, können trotz komplexer Formen hohl- beziehungsweise doppelwandig in einem Arbeitsgang (Wände und Stützstrukturen gleichzeitig gedruckt) hergestellt werden. Die Hohlräume werden dann mit thermischen Kernen (Latentwärmespeichermedium, PCM) gefüllt. Erfindungsgemäß kann so das PCM eingeführt und auf große Flächen verteilt werden.

Die erfindungsgemäßen Stützstrukturen können Fachwerke aus Stäben, Säulen, Platten, , Häutchen von fast beliebiger Form sein. Sie müssen aber so dimensioniert sein, dass sie die doppelwandige Form des Bauteils aufrechterhalten, den Innendruck des Wärmespeichermediums aushalten und ein Befüllen mit Flüssigkeit erlauben. Die Gehäuse/Strukturen können dabei aus gleichen oder verschiedenen Materialien gefertigt (gedruckt) sein. Es kommen Kunststoffe, Metalle oder Keramiken in Frage. Die erfindungsgemäßen doppelwandigen Hohlräume können hinsichtlich ihrer Masse, Dichte und Festigkeit optimiert werden. So müssen zum Beispiel bereits aus rein mechanischen Gründen die beiden Außenwände über Stützstrukturen dauerhaft miteinander verbunden sein (ähnlich Sandwichbauteilen). Die Anzahl und die Form der Stützstrukturen hängen dabei von den mechanischen Anforderungen ab, welche Lasten das doppelwandige Bauteil aushalten muss, und welche Drücke beim Phasenwechsel des Wärmespeichermediums auftreten. Da beim 3-D-Druck Schicht für Schicht aufgetragen wird, sind beliebig geformte Bauteile machbar, die auch komplexe Hinterschneidungen haben und anders (zum Beispiel durch Gießen oder Fräsen) gar nicht herstellbar wären.

Die Bauteile müssen vom Material her so gewählt und so dimensioniert sein, dass sie den zu erwartenden Umgebungsbedingungen standhalten. In der Raumfahrt müssen sie also vakuumtauglich sein und einen Außendruck von < 10 ⁶ mbar aushalten. Die Außentemperaturen können von -150 bis 200°C reichen. Viele gebräuchliche Wärmespeichermedien (zum Beispiel Paraffin) leiten per se schlecht die Wärme und entkoppeln damit die beiden Wände des Hohlraums thermisch voneinander. Dies bedeutet, dass die Wärme sich nur schlecht im Medium ausbreitet und dass bei großen Bauteilen oder Dicken nicht das gesamte Medium aktiviert wird. Um dies zu verhindern, müssen die Hohlräume möglichst flächig verteilt werden und so dünn wie möglich ausgestaltet werden. Es können aber auch sie Stützstrukturen zwischen den Wänden dichter und aus wärmeleitendem Material (zum Beispiel Metall, Kupfer oder Aluminium) gedruckt werden. Zu beachten ist, dass die Stützstrukturen keine geschlossenen Wände, sondern eher Säulen oder Stäbchen sind, die es erlauben, dass das Wärmespeichermaterial beim Einfüllen dazwischen fließen und den ganzen vorgesehenen Raum füllen kann. Die Form der Stützstrukturen ist anwendungsabhängig und dank 3 -D-Druck beliebig wählbar. Möglich sind auch Formen, die offenen Metallschäumen ähneln.

Das erfindungsgemäße Latentwärmespeichermedium ist den jeweils geforderten Temperaturbereichen angepasst. Beim Einsatz im Weltraum liegen die gewünschten Temperaturen typischerweise im Bereich der Raumtemperatur (5° bis 50° Celsius), wofür sich konkret Paraffine mit unterschiedlichen Kohlenstoffkettenlängen anbieten. Mit steigender Kettenlänge wächst die Schmelztemperatur, aber auch die maximal speicherbare Wärmeenergie (latent heat), wobei diese mit gerader oder ungerader Kettenlänge alterniert, wodurch gerade Kettenlängen das bessere Massenverhältnis aufweisen. Interessant sind besonders Kettenlängen von C14 bis C20. Für Anwendungen, bei denen höhere Temperaturen toleriert werden müssen, kommen höhere Kettenlängen oder auch andere Wärmespeichermedien, wie Salze oder Metalle, in Frage.

Was die erfindungsgemäße Fertigung mit 3-D-Drucker angeht, werden die doppelwandigen Bauteile samt Stützstrukturen bereits druckdicht aus Metall, Kunststoff oder Keramik, in einem Schritt gefertigt. Zum Einfüllen der PCMs sind Befüllöffnungen vorgesehen. Bei der Konstruktion ist darauf zu achten, dass alle vom PCM zu füllenden Hohlräume miteinander kommunizieren, damit das PCM in flüssiger Form frei fließend oder unter Druck den gesamten Hohlraum erfüllt. Alternativ können auch Teilkammern vorgesehen sein, sodass Bereiche voneinander getrennt bleiben. Die ermöglicht es, in verschiedenen Bereichen unterschiedliche PCMs - für unterschiedliche Temperaturbereiche - einzeln einzufüllen. Nach dem Befüllen sind die Kammern zu verschließen.

Welches Bauteil nun die erfindungsgemäße Doppelwandstruktur erhält, ist frei wählbar. Es können Strukturbauteile sein, die tragend sind oder auch nichttragend. Es können Gehäuse von Batterien sein oder von elektronischen Komponenten. Es können Antennen oder Antennenteile sein, es können Spiegel oder Teile von Spiegeln sein. Ebenso ist es möglich Abschat- tungselemente (Baffles) oder Teile von ihnen entsprechend auszurüsten.

Berechnungen wurden für einen geostationären Erdbeobachtungssatelliten gemacht: Die Op- tik des simulierten Satelliten ist durch ein Bafflesystem aus Aluminium gegen Sonneneinstrahlung geschützt. Dieses Baffle wird aber selber sehr heiß und heizt, trotz Isolation, seinerseits das Teleskop auf, welches sich dadurch verformt und Performance verliert. Klassisch gebaut hätte das Bafflesystem einen Temperaturgang von - 40° C bis zu 100°C und würde die optische Bank um 8° aufheizen. Wen das Baffle erfindungsgemäß doppelwandig aufgebaut ist und mit ca. 3,5 kg von C16-Paraffm befüllt ist, wird die Temperatur bei 10°C bis 20°C stabilisiert. Dadurch wird jede Temperaturexkursion und damit auch eine Verformung der optischen Bank verhindert.

Bei der Erfindung wird das PCM direkt in den Hohlraum des Gehäuses eingegeben. Aus Ge- wichtsgründen und um das PCM effektiv zu verteilen, sollen die den Hohlraum bildenden Stützstrukturen so dünnwandig wie möglich ausgeführt sein. Dies kann, insbesondere bei schlecht wärmeleitenden Materialien, zum Beispiel Titan, dazu führen, dass die Wärme sich innerhalb des Bauteils nicht effizient ausbreiten kann, was zur Folge hat, dass von der Wär- mequelle weit entfernte Bereiche des PCMs nicht aktiviert werden. Abhilfe kann hier eine Ausführung der Erfindung schaffen, bei der zusätzlich Wärmerohre (Heat Pipes) vorgesehen werden. Wärmerohre sind an sich als hervorragende Wärmeleiter bekannt und werden auch in der Raumfahrt eingesetzt (oben genannte US 2016/0288928 AI). Sie weisen innen ein kapil- lares Profil (zum Beispiel Rillen, axial grooves) auf und wurden vor dem Verschließen mit einer bestimmten Menge eines bestimmten Fluides gefüllt. Dieses Fluid verdampft an der Wärmequelle, breitet sich in der Gasphase im Rohr aus und kondensiert an der kälteren Stelle (Wärmesenke). Dabei gibt es seine Wärme ab und transportiert diese so an die kältere Stelle. Das Kondensat kehrt über kapillare Kräfte in flüssiger Phase zurück zur Wärmequelle, wo es erneut verdampft. Dieser Kreislauf ist sehr effizient und kann so sehr effektiv die Wärme zwischen weit voneinander entfernten Bereichen transportieren. Die Fluide werden je nach Temperaturbereich gewählt. In der Raumfahrt sind dies am häufigsten Ammoniak und Ethanol.

Da der erfindungsgemäße 3-D-Druck die Herstellung auch sehr komplexer Bauteile erlaubt, können hier also statt oder neben den Stäbchen oder Plättchen Wärmerohre direkt als Stützstrukturelemente oder in die Wände von Gehäusen oder Baffeln im gleichen Arbeitsgang in das erfindungsgemäße Bauteil hineingedruckt werden. Es werden also Rohrstrukturen und die axialen Rillen oder andere kapillar wirkende Strukturen (Dochte, Wieks) im gleichen Fertigungsschritt eingedruckt. Die Form der Wärmerohre ist beliebig wählbar. Sie können von der Innenwand relativ direkt zur Außenwand führen und so neben der Tragfunktion auch noch eine Wärmeverteilfunktion übernehmen. Sie können aber auch frei - das meint, ohne die Wände zu berühren - innerhalb des Hohlraumes verlaufen und so die Wärme über große Strecken verteilen. Die Wärmerohre müssen dank 3-D-Druck ja nicht gerade verlaufen, sondern können alle beliebigen Formen annehmen, zum Beispiel an der Innenwand beginnen, dann abbie- gen, in etwa parallel zur Innenwand verlaufen, dann wieder abbiegen und zur Außenwand führen. So kann Wärme sehr effektiv über große Strecken verteilt und viel PCM aktiviert werden. Nach dem Druckprozess werden die Wärmerohre mit einem geeigneten Arbeitsfluid gefüllt und dann verschlossen. Diese Ausführung mit Wärmerohr(en) ist besonders erfinde- risch, da sie Bauteile mit zwei Phasenwechseln - im PCM von fest zu flüssig und im Wärmerohr von flüssig zu gasförmig - vorschlägt und mit dem fortschrittlichen 3 -D-Druck verbindet.

Weitere Vorteile, Merkmale oder Anwendungen ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung, wobei alle gezeigten und erwähnten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination als erfindungswesentlich angesehen werden.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Bauteils gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 einen Metallschaum und

Fig. 3 mehrere Wärmerohre.

Fig. 1 zeigt schematisch im Schnitt der Aufbau eines erfindungsgemäßen Bauteils eines Raumfahrzeugs. Die Außenwand 1 ist so geformt, wie es für den Betrieb des Bauteils notwendig ist, kann aber dünner sein als normal, da ja eine hier ähnlich geformte Innenwand 2 vorgesehen ist, die über Stützstrukturen 3 mit ihr verbunden ist und alle drei Elemente 1, 2, 3 mittragen. Die beiden Wände 1, 2 und die Stützstrukturen 3 sind insgesamt so stabil ausgelegt wie für den Einsatz notwendig, aber vom Gewicht her so leicht wie möglich, was in der Raumfahrt stets zu beachten ist. Die Wände 1 und 2 können also, wie an sich aus Sandwichstrukturen bekannt, dünner sein als allein tragende Wände. Der von den Wänden 1 und 2 gebildete Hohlraum, in dem sich die Stützstrukturen 3 befinden, ist mit dem Latentwärmespeichermedium (PCM) 4 gefüllt. Wenn nun im Betrieb die Wand 1 oder ein Teil von ihr durch Sonnenstrahlung oder durch Wärmeverluste während verschiedener Betriebsmodi erwärmt wird, schmilzt dort befindliches PCM und nimmt Wärme auf. Dadurch wird die Oberflächentemperatur der Wand 1 niedriger gehalten und damit stabilisiert.

Fig. 2 zeigt einen Metallschaum 5 mit offenen Poren, wie er an sich bekannt ist. Ein solcher Metallschaum 5 eignet sich hervorragend als Stützstruktur 3, da er leicht, stabil und flüssigkeitsdurchlässig ist. Seine komplexe Form kann durch den erfindungsgemäßen Einsatz des 3- D-Druckes einfach, das heißt Schicht um Schicht, in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Hier zeigen sich die Vorteile der erfindungsgemäßen Kombination von Hohlraumstruktur und 3 -D-Druck.

Fig. 3 zeigt aufgeschnitten an sich bekannte Wärmerohre 6. Zu erkennen sind die Kapillarstrukturen, hier axiale Rillen, die über die ganze Länge des Wärmerohres 6 verlaufen und dem Rücktransport des flüssigen Fluides zu gewährleisten (Axial grooved heat pipes, AGHP). Die Wärmerohre 6 sind hier gerade verlaufend. Erfindungsgemäß können sie aber auch beliebige andere Formen haben, da gerade der 3 -D-Druck beliebig gekrümmte Formen erlaubt.

Bezugszeichenliste

1 Außenwand

2 Innenwand

3 Stützstruktur

4 Latentwärmespeichermedium

5 Metallschaum

6 Wärmerohr