Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHRMit tiefgekühlten Radarempfängern zu höherer Empfindlichkeit
Sollen kleinste Satelliten im Orbit überwacht werden oder soll möglichst weit via Radar ins All geschaut werden, ist eine gute Empfindlichkeit der Radarsysteme gefragt. Doch werden schwache Signale schnell vom Eigenrauschen der Empfänger überdeckt. Kryo-Technologie kann helfen: Werden die Empfänger auf vier Grad Kelvin gekühlt, ist eine verdoppelte Empfindlichkeit zu erwarten. Ein solcher Kryo-Empfänger wird derzeit am Fraunhofer FHR entwickelt.
Tausende Cube-Sats schwirren bereits im erdnahen Orbit umher – kleine Satelliten, mitunter nicht größer als eine Orange. Und es werden stetig mehr. Um diese mit Radargeräten sehen oder auch in weiter entfernte Bereiche des Alls schauen zu können, muss die Empfindlichkeit von Radargeräten stetig optimiert werden. Das Fraunhofer FHR setzt dazu auf Kühlung: Über Helium wird der Radarempfänger auf vier Grad Kelvin bzw. minus 269 Grad Celsius heruntergekühlt, also vier Grad über dem absoluten Nullpunkt. Bei diesen Temperaturen schwingen die Atomgitter kaum noch, das Eigenrauschen der Empfänger sinkt daher ebenfalls. Auf diese Weise könnte sich die Empfindlichkeit von Radarsystemen verdoppeln lassen, theoretischen Berechnungen zufolge.
Das Kühlmittel Helium wird dabei in einem Kreislauf geführt. Mit einem Kompressor wird es zunächst komprimiert – ähnlich wie das Kühlmittel im Kühlschrank – und dann an einen Kaltkopf gegeben, der in einem Vakuumbehälter steckt. Dort wird Helium wieder entspannt, wobei es seine Kälteenergie freisetzt. Da das System geschlossen ist, kann sich das Helium kaum verflüchtigen. Beim Aufbau eines solchen Kryo-Empfängers gibt es einige Herausforderungen zu meistern. Zum einen herrscht zwischen Vakuum und Außenraum ein Temperaturunterschied von fast 300 Grad – diese Wärmestrahlung gilt es abzufangen. Weiterhin müssen von außen elektrische Kabel zugeführt werden, auch sie dürfen keine nennenswerte Wärme ins Vakuum leiten. Die dritte Herausforderung liegt im Vakuumbehälter selbst: Er muss nicht nur dem Druckunterschied zwischen Atmosphäre und Vakuum standhalten, sondern gleichermaßen thermisch isolieren und für bestimmte Hochfrequenzbereiche durchlässig sein. Über ein Hochfrequenzfenster lässt sich ein Kompromiss realisieren. Bei der Frage, welches Material sich für ein solches Fenster optimal eignet, sind zahlreiche verschiedene Kompetenzen gefragt, von der Hochfrequenztechnologie über die Mechanik bis hin zur Kältetechnik. Da Kryo-Technologie in der Radartechnik bisher noch wenig Einsatz findet, arbeitet das Fraunhofer FHR eng mit Radioastronomen des Max-Planck-Instituts Bonn sowie des CSIRO in Australien zusammen.
Ein erster Demonstrator ist bereits entwickelt, auch Tests zur Temperatur und zur Druckstabilität wurden durchgeführt. In weiteren Schritten stehen nun die Hochfrequenzvermessung und die Bestimmung der Rauschzahl des Systems an.