Im Sommer 2023 erlitt das Deep Space Network der NASA während einer Mission zum Jupiter einen kritischen Senderausfall. Das Symptom war ein intermittierender Leistungsverlust in einem goldenen Wellenleiter. Nach einer gründlichen 3D-Analyse mit CST Studio Suite entdeckten die Ingenieure die Ursache: Ein mikroskopisch kleines Staubpartikel, das während der Montage im Reinraum eingeschlossen wurde, löste das Multipactor-Phänomen aus. Dieser für das menschliche Auge unsichtbare Defekt erzeugte Mikrofunken, die das Signal verschlechterten.
Multipactor und elektromagnetische Simulation in goldenen Wellenleitern 🛰️
Der Multipactor-Effekt ist eine resonante Elektronenentladung, die unter Vakuumbedingungen und bei hoher HF-Leistung auftritt. In diesem vergoldeten Wellenleiter wirkte das Staubpartikel als Punkt für die Sekundäremission von Elektronen. Mit CST Studio Suite modellierte das Team das elektromagnetische Feld in 3D und reproduzierte die Flugbahn der Elektronen im Inneren des Kanals. Die Simulation zeigte eine exakte Resonanz zwischen der Signalfrequenz und der Flugzeit der Elektronen, die den Effekt verstärkte, bis ein lokalisierter Lichtbogen entstand. Die anschließende Visualisierung in KeyShot ermöglichte die Kartierung der Bereiche mit der höchsten Stromdichte und der Erosionsspuren im Gold.
Lehren aus der Mikrofertigung für die Luft- und Raumfahrtzuverlässigkeit 🔬
Dieser Fall zeigt, dass die Partikelkontamination in Reinräumen nach wie vor die Achillesferse von hochzuverlässigen Komponenten ist. Obwohl Gold chemisch inert ist, verträgt seine Oberfläche keine geometrischen Defekte im Mikrometerbereich. Die 3D-Analyse identifizierte nicht nur den Fehler, sondern bestätigte auch die Notwendigkeit strengerer Inspektionsprotokolle bei der Mikrofertigung von Wellenleitern. Für die Halbleiter- und Luft- und Raumfahrtindustrie sind Werkzeuge wie Materialise Magics unerlässlich, um diese Anomalien vor der Endmontage zu erkennen.
Kann die 3D-Mikrofertigung dielektrischer Abschirmungen im Mikrometerbereich die Bildung von durch Staub induzierten Lichtbögen in Hochleistungssendern für die Tiefenraumfahrt verhindern?
(PS: Einen Chip in 3D zu modellieren ist einfach, die Schwierigkeit besteht darin, dass er nicht wie eine Lego-Stadt aussieht)