Wie der wiederholte Flug der Dragon-Kapsel von SpaceX zur ISS das PCB-Design verändern werden

Sehen Sie sich auch manchmal den Mond an und fragen sich, welche Geheimnisse jenseits des Mondes liegen? Manchmal, wenn ich den Mond bestaune, fällt mein Blick auf einen sich bewegenden Stern. Die internationale Raumstation ISS ist gelegentlich mit bloßem Auge zu sehen und erinnert uns daran, was die Menschheit im Weltraum schon alles erreicht hat. SpaceX hat dieser Liste kürzlich eine neue Errungenschaft hinzugefügt, indem mit einer wiederverwendeten Kapsel ein Versorgungsflug zur ISS durchgeführt wurde.

Die Fortschritte von SpaceX im Bereich der wiederverwendbaren Raumfahrzeuge machen das Weltall immer mehr für kommerzielle Zwecke zugänglich. Flüge in die Erdumlaufbahn und darüber hinaus werden häufiger. Deshalb sollten PCB-Designer ihre Platinen auf die harten Bedingungen im Weltall und auf dem Weg dorthin vorbereiten. Schnelle Temperaturwechsel und hohe Beschleunigungen zwingen Designer, über die mechanischen und materiellen Eigenschaften ihrer Produkte nachzudenken.

Andocken der Dragon-Kapsel: Teil 2

Sie erinnern sich vielleicht daran, wie SpaceX 2012 als erstes privates Unternehmen an die ISS andocken konnte. Dieses erste Andocken war für SpaceX ein Meilenstein, aber sie haben damals nicht aufgehört. Am 5. Juni 2017 haben sie die Station erneut versorgt, diesmal allerdings mit einer vorher bereits genutzten Dragon-Kapsel. SpaceX hat sich diese Wiederverwendung auf die Fahnen geschrieben und nutzt schon seit längerer Zeit recycelte Raketen, aber diese Dragon war die erste wiederverwendete Kapsel. Der nächste Meilenstein wird die Wiederbenutzung einer Rakete und einer Kapsel für eine Versorgungsmission sein.

Der Grund für die Bemühungen von SpaceX um mehrfach verwendbare Raumfahrzeuge ist klar: Geld. Ihr Ziel ist es, Raumfahrt günstiger zu machen. Es kostet wesentlich weniger, eine Rakete oder Kapsel wiederaufzuarbeiten, als sie neu zu bauen. Wenn Starts günstiger werden, wird es auch mehr von ihnen geben. Das Langzeitziel von SpaceX, zum Mars zu reisen, bedeutet auch eine Vielzahl an Weltraummissionen. Das Unternehmen plant, wiederverwendbare Raketen für Hin- und Rückflüge zwischen Mars und Erde einzusetzen. Der durchschnittliche Elektronikentwickler denkt normalerweise nicht besonders viel über den Weltraum nach. Da interplanetare Kolonisierung inzwischen aber am Horizont auftaucht, sollte sich das besser ändern.

Schnelle Temperaturwechsel können der Untergang Ihres PCB sein.

Berücksichtigung der Temperatur

Normalerweise denkt man beim Thema Temperatur im Weltall zuerst an Kälte. Überraschenderweise kann der Weltraum allerdings ziemlich heiß werden. Direkte Sonneneinstrahlung dreht die Hitze ziemlich auf, wenn keine Atmosphäre vorhanden ist, die die Energie absorbiert. Beim Umkreisen eines Planeten oder bei Drehmanövern befinden sich Raumfahrzeuge abwechselnd entweder im Schatten oder in direktem Sonnenlicht, was zu enormen Temperaturunterschieden führt. Diese Temperaturwechsel können die elektrischen Eigenschaften einer Leiterplatte verändern und ihre Lebensdauer verringern.

Bei der Konstruktion einer Hochleistungs-Leiterplatte machen Sie sich natürlich Gedanken über die verwendeten Materialien und ihre Dielektrizitätskonstanten (Dk). Ein Problem im Weltraum sind die schwankenden Temperaturen, die die Dk Ihrer Materialien verändern können. Das liegt daran, dass die Temperatur die polarisierten Moleküle, die ein Dielektrikum ausmachen, neu ausrichtet. Je nach Temperatur steigt oder sinkt deshalb die Dk Ihres Substrats. Für Ihre Leiterplatte ist das natürlich nicht vorteilhaft. Wenn Sie also eine Leiterplatte für eine Rakete entwerfen, muss sie ihre Dk in jeder Temperatur beibehalten können.

Die Temperatur hat darüber hinaus auch einige noch offensichtlichere Auswirkungen. Sie denken wahrscheinlich über den Wärmeausdehnungskoeffizienten Ihrer Materialien nach, wenn sie eine Leiterplatte entwickeln. Wenn Ihr PCB aus dem direkten Sonnenlicht in den vollen Schatten wandert, vollzieht sich ein großer Temperaturwechsel, unter denen PCBs sich ausdehnen und zusammenziehen. Dieser Akkordeoneffekt wird Ihre Leiterplatte zerstören und ausfallen lassen, wenn sie nicht die richtigen Werkstoffe nutzen. Der Weltraum ist ein ziemlich wilder Ort, und Ihre Materialien sollten flexibel genug sein, um alle Temperaturen auszuhalten, denen sie ausgesetzt werden.

Bei den Materialien werden die Berücksichtigung  der Dk und der Wärmeausdehnungskoeffizient zwei Ihrer Schwerpunkte sein. Die Dks der ausgewählten Materialien müssen über weite Temperaturbereiche hinweg möglichst konstant sein. In Sachen Temperatur müssen die Materialien Hitze aushalten können, ohne Schaden zu nehmen.

Vibrationen beim Start sind nicht gut. Redaktionelle Rechte: Nadezda Murmakova / Shutterstock.com

Vibration

Wo wir gerade von Flexibilität sprechen, sollten wir erwähnen, dass Ihre Leiterplatten mechanisch flexibel sein müssen. Der gefährlichste Teil einer Weltraummission ist für ein PCB zweifellos der Start. Während des Aufstiegs ist ein Raumfahrzeug enormen Kräften ausgesetzt. Beschleunigung und Vibrationen schütteln die Astronauten förmlich durch und dürften auch Ihre Leiterplatten durchrütteln.

Beim Start produzieren die Haupttriebwerke Wellen, die in vielen Teilen des Raumschiffs Probleme auslösen können. Dieses Rütteln kann besonders auf PCBs sehr zerstörerisch wirken. Flexibilität ist eine gute Möglichkeit, Vibrationen entgegenzuwirken. Rigid-Flex-PCBs sind meist leichter als traditionelle PCBs, was sie ebenfalls weniger anfällig gegenüber Vibrationen macht. Eine leichte Schaltung kann in einem Raumschiff auch dabei helfen, wertvolles Gewicht einzusparen. Flexible Schaltungen mögen von Natur aus keine Erschüttungen, müssen aber für bestimmte Arten von Vibrationen ausgelegt sein. Richtig konstruiert, funktionieren flexible und starr-flexible Leiterplatten tadellos. Leiterplatten dieser Art werden bereits in Luft- und Raumfahrtanwendungen eingesetzt, zum Beispiel in Hubschraubern und Satelliten.

Flpge in den Weltraum sind heute zwar keine absoluten Sensationen mehr, aber in Zukunft werden wir noch viel mehr davon sehen. Unternehmen wie SpaceX machen große Fortschritte in der kommerziellen Weltraumindustrie. SpaceX erreicht weiterhin seine Meilensteine, und wir werden in Zukunft viel mehr PCBs für den Weltraum entwerfen. Die zwei Hauptanliegen beim Design von PCBs für das Weltall sind Temperaturunterschiede und Vibrationen. Die starken Temperaturschwankungen im Weltraum können Ausfälle Ihrer PCBs durch Wärmeausdehnung verursachen oder ihre Funktionalität durch Änderungen der Dk Ihres Substrats beeinflussen. Vibrationen können Ihr PCB schlicht in Stücke reißen. Der Einsatz von Rigid-Flex-PCBs kann die Auswirkungen von Vibrationen abschwächen und sicherstellen, dass Ihre Leiterplatte es in das große Unbekannte des Weltalls schafft.

Futuristische Schaltkreise benötigen eine zukunftsfähige Design-Software. Altium Designer ist eine hochmoderne PCB-Designsoftware, mit deren breiter Funktionspalette Ihre Leiterplatten die Erkundung der Sterne überstehen.

Haben Sie weitere Fragen zum Thema PCBs im Weltraum? Dann rufen Sie einen Experten bei Altium an.