Raumfahrtwerkstoffe, Ausgasung & atomarer Sauerstoff

Gemäß PocketQube Standard Issue 1 (Klauseln PQ-Mech-01 bis PQ-Mech-07) misst ein 1P-Grundkörper 50,0 ± 0,1 mm und wird im Deployer ausschließlich über eine 58,0 × 64,0 × 1,6 mm große Gleitgrundplatte (128 mm Länge bei 2P, 192 mm bei 3P) geführt, die entlang zweier 2 mm breiter Randstreifen (256 mm² Auflagefläche) geklemmt ist. Unter einer quasistatischen Startlast von 20 g übt ein 250 g schwerer 1P lediglich 49 N aus — eine mittlere Flächenpressung von 0,19 MPa, mehr als zwei Größenordnungen unter der Streckgrenze —, sodass die Grundplatte grenzflächen- statt festigkeitskritisch ist.

Der Wärmebehandlungszustand entscheidet nach ECSS-Q-ST-70-36C über die Beständigkeit gegen interkristalline Spannungsrisskorrosion (SCC). Sämtliche Knetlegierungen der 6000er-Reihe (Al–Mg–Si) — darunter Al 6061-T6 (ρ = 2,70 g/cm³, E = 68,9 GPa, σ_y = 276 MPa, k = 167 W/(m·K)) und Al 6082-T6 (σ_y = 260 MPa, k = 172 W/(m·K)) — zählen in allen Zuständen zur hochbeständigen Klasse 1 (Tabelle 5-1). Spitzenausgelagertes Al 7075-T6 (σ_y = 503 MPa) fällt dagegen wegen seiner SCC-Empfindlichkeit in kurzer Querrichtung in Tabelle 5-3 und verlangt einen formalen SCC-Nachweis, während Überalterung auf 7075-T73 bzw. T7351 (σ_y = 435 MPa, ~10–15 % Festigkeitsabschlag) volle Klasse-1-Beständigkeit herstellt.

Da die Schlitzdicke mit 1,6 mm festliegt (5,94 cm³ Vollvolumen), skaliert die Plattenmasse allein mit der Dichte: 11,0 g aus FR-4 (Biegesteifigkeit D = 7,6 N·m), 16,0 g aus Al 6061-T6 (D = 26,4 N·m; 6,4 % des 250-g-Budgets), 16,7 g aus Al 7075-T73, 26,3 g aus Ti-6Al-4V (ρ = 4,43 g/cm³) und 45,4 g aus Stahl 17-7PH. Obwohl FR-4 rund 5 g spart und beim Festigkeitsindex σ_f^(1/2)/ρ frei dimensionierter Platten führt, sprechen seine 3,5-fach geringere Steifigkeit und mögliches Harzkriechen klar für Al 6061-T6; laserpulverbettgeschmolzenes AlSi10Mg (σ_y = 233–270 MPa) besitzt unterhalb von 100 g noch keinen vereinfachten Qualifikationspfad nach ECSS-Q-ST-70-80C.

An Luft verhindern natürliche Oxidschichten und adsorbierte Feuchte metallische Bindungen zwischen Rauheitsspitzen. Hochfrequente Mikrobewegungen unter Startvibrationen (Fretting) reiben diese Schutzfilme auf; sinkt der Umgebungsdruck im Orbit unter ~1 Pa, wächst kein Oxid mehr nach und blanke Metallkontakte verschweißen kalt bei Raumtemperatur. In Vakuum-Reibversuchen nach ESA STM-279 überschritten artgleiche Paare aus Silber, Kupfer und 17-7PH die 12.000-mN-Messgrenze, während gesputtertes MoS₂ auf 17-7PH gegen Ti-6Al-4V nach rund 40 Zyklen versagte.

Um Metall-Metall-Kontakt in P-POD-, ISIPOD-, QuadPack- und AlbaPod-Dispensern auszuschließen, fordern sowohl CDS Rev. 14.1 als auch PQ-Mat-03 eine MIL-A-8625F Typ-III-Harteloxierung (typisch 25–50 µm Zeichnungsmaß im 25–75-µm-Nennfenster, Rauheit Ra ≤ 1,6 µm). Diese in kalter Schwefelsäure gewachsene poröse Al₂O₃-Keramikschicht unterbindet Adhäsion, bringt aber fünf Nebeneffekte mit sich: ~50 % Schichtwachstum nach außen (~25 µm je Fläche, was ohne Untermaßfertigung 50 µm des 58,0 ± 0,1-mm-Toleranzfelds verbraucht), geringere Härte auf Si-reichem LPBF-AlSi10Mg (~280 HV max.), 50–62 % Dauerfestigkeitsverlust bei Al 6082, Ausgasungsprüfung bei PTFE-Imprägnierung sowie elektrische Gehäuseisolation.

Kaltverschweißung begrenzt ebenso pyrotechnikfreie Antennenriegel (PQ-Gen-02). Auf einer 3-mm-Nabe erzeugt ein 170 mm langes Viertelwellen-UHF-Band mit t = 0,10 mm Dicke eine Randfaserdehnung ε = t/(2R_h) = 1,67 % — sicher innerhalb des 4,0-%-Plateaus von superelastischem NiTi (0,20 J Speicherenergie bei −20 °C bzw. 0,42 J bei 25 °C), während Federstahl (0,6 % Grenze) auf 0,036 mm abgedünnt werden muss und nur 0,04 J speichert. Da schon 1 N Adhäsion über 170 mm Hub 0,17 J (87 % der NiTi-Energie bei −20 °C) aufzehrt, empfehlen sich ungleichartige bzw. harteloxierte Riegelpaare und zweipfadige Auslöser aus 0,15-mm-Einweg-NiTi-Draht (0,23 J bei 1 W in 0,23 s) plus UHMWPE-Schmelzdraht.

Weil ein 250 g leichter 1P-PocketQube eine thermische Zeitkonstante von τ_th ≈ 56 Minuten besitzt — knapp die Hälfte der 104 Minuten eines 1U-CubeSats —, folgt seine Temperatur dem 95,1-minütigen Tag-Nacht-Wechsel unmittelbar und durchläuft ≈5.500 Eklipsenzyklen pro Jahr. Einknotenmodelle liefern 30–37 K globale Temperaturhübe für einen 1P (gegenüber 16–23 K beim 1U), während schwach angekoppelte Außenpaneele noch stärker pendeln (+15 °C bis −26 °C im SMOG-1-Modell und bis zu 75 K Flugdaten auf dem 3P Delfi-PQ).

Diese Zyklen treiben wechselnde Scherdehnungen Δγ in starren anschlusslosen Lötstellen, sobald die Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) auseinanderklaffen: Germanium-Substrate von Dreifach-Solarzellen dehnen sich mit ~6 ppm/K und Keramikgehäuse mit 6,5–7 ppm/K aus, gegenüber 14–17 ppm/K in FR-4-Platinenebene (50–70 ppm/K in Dickenrichtung), 17 ppm/K für Kupfer und 23,6 ppm/K für Al 6061-T6. Lebensdauermodelle begrenzen starre Ge-auf-FR-4-Lötstellen auf ~5 × 10³ Zyklen (~1 Jahr im LEO), weshalb nachgiebige Silikonklebungen, flexible Zellverbinder sowie eutektisches Sn–Pb bzw. entgoldete Anschlüsse gegen Reinzinn-Whisker, Zinnpest (<13,2 °C) und sprödes AuSn₄ eingesetzt werden.

Polymerlaminate, Klebstoffe, Kabelmäntel und additiv gefertigte Bauteile (PEEK, Windform XT 2.0 oder FDM-ULTEM-9085 mit ~40 % Festigkeitsabfall in Z-Baurichtung) müssen die Ausgasungsprüfung über 24 h bei 125 °C unter <7 × 10⁻³ Pa gegen einen 25-°C-Kollektor bestehen: Gesamtmasseverlust TML ≤ 1,00 % nach ASTM E595 (bzw. bereinigter Masseverlust RML = TML − WVR ≤ 1,00 % nach ECSS-Q-ST-70-02C bei hygroskopischen Polyamiden/Aramiden) sowie kondensierbare flüchtige Anteile CVCM ≤ 0,10 %, um Beschlag auf Deckgläsern und Optiken im gemeinsamen Deployer zu verhindern.

Durch solare extrem-ultraviolette Photodissoziation von molekularem O₂ dominiert einatomiger Sauerstoff (AO) die neutrale Restatmosphäre zwischen 200 und 600 km Höhe. Bei einer Kreisbahngeschwindigkeit von v ≈ 7,6 km/s treffen Sauerstoffatome in Flugrichtung (Ram) mit einer kinetischen Translationsenergie von ½·m_O·v² ≈ 4,5 eV auf — ausreichend, um kovalente C–C- und C–H-Bindungen aufzuspalten und ungeschützte Polyimid- oder Kohlenwasserstoffoberflächen in flüchtiges CO und CO₂ umzuwandeln.

Im thermosphärischen AO-Modell des Repositories (lib/physics/atomic-oxygen.ts) fällt die Teilchendichte exponentiell um 400 km gemäß n_O(h) = n_400 · exp(−(h − 400)/H_AO) ab, mit n_400 = 1,2×10⁸ · exp((F10.7 − 120)/85) Atomen/cm³ und Skalenhöhe H_AO = 46 + 0,14·(F10.7 − 70) km. Ein regellos taumelnder konvexer Satellit erfährt ein Viertel des stirnseitigen Flusses (f_ram = 0,25), eine dauerhaft in Flugrichtung stabilisierte Fläche hingegen f_ram = 1,0; die Abtragtiefe d ergibt sich als Produkt aus kumulierter Fluenz F und volumetrischer Erosionsausbeute E_y.

Flugkalibrierte MISSE-2-PEACE-Kennwerte umspannen über zwei Größenordnungen. Ungeschütztes Kapton HN (E_y = 3,00 × 10⁻²⁴ cm³/Atom, ρ = 1,42 g/cm³) und PEEK-Antennenspulen (2,99 × 10⁻²⁴ cm³/Atom; ~60 µm/Jahr im ISS-Staupunkt) erodieren unterhalb von 450 km rasch, während FR-4-Epoxidharz (2,1 × 10⁻²⁴ cm³/Atom) bis auf ein mattes E-Glasfasergewebe abgetragen wird. Fluorierte Polymere wie FEP/PTFE senken die Ausbeute auf 0,20 × 10⁻²⁴ cm³/Atom (bei allerdings erhöhter Versprödung unter VUV + AO), und eine 130 nm dünne SiOx-Siliziumoxidschicht auf Kapton drückt den effektiven Abtrag auf 0,02 × 10⁻²⁴ cm³/Atom — über 98 % Reduktion außerhalb lokaler Fehlstellen.