Warum müssen Lichtwellenleiter in Luft- und Raumfahrtqualität über lange Zeiträume bei hohen Temperaturen getrocknet werden?
Glasfasern für den Weltraum müssen vor dem Eintritt in die Weltraumumgebung oder in Vakuumsysteme einem langwierigen Hochtemperatur-Ausgasungstest (Thermal Vacuum Bake-out / De-gassing) unterzogen werden. Der Hauptzweck besteht darin, die thermisch induzierte Vor-Ausgasung zu erreichen und damit die Vakuum-Ausgasungsrate von Glasfasermaterialien in Ultrahochvakuumumgebungen zu kontrollieren und zu reduzieren.
Die spezifischen technischen und physikalischen Mechanismen sind wie folgt:
I. Physikalische Mechanismen der Vakuum-Ausgasung
Herkömmliche Glasfasern bestehen aus einem Kern/Mantel aus hochreinem Siliziumdioxid und einer darüberliegenden Polymerbeschichtung (z. B. Acrylat, Silikon usw.). Während der Herstellung und Lagerung adsorbieren sich in der Beschichtung Feuchtigkeit, Restlösungsmittel, Spuren von Monomeren und niedrigmolekulare Polymere.
Wenn die Glasfaser in eine Weltraum-Ultrahochvakuumumgebung ( \text{UHV} ) gelangt, entweichen aufgrund des stark reduzierten Umgebungsdrucks kontinuierlich flüchtige organische Verbindungen (VOCs) mit niedrigem Siedepunkt und Wassermoleküle von der Glasfaseroberfläche und aus dem Inneren der Beschichtung und bilden gasförmige Moleküle. Langwierige Hochtemperatur-Vor-Ausgasungstests nutzen thermische Energie, um die Molekülbewegung zu beschleunigen und diese instabilen flüchtigen Bestandteile vorzeitig zu entfernen.
Die beiden Schlüsselparameter zur Bewertung der Vakuum-Ausgasungseigenschaften von Raumfahrtmaterialien sind:
- Total Mass Loss (TML): Der prozentuale Massenverlust des Materials nach dem Vakuum-Ausgasungstest. Raumfahrtstandards erfordern in der Regel \text{TML} \le 1,0\%.
- Collected Volatile Condensable Material (CVCM): Der prozentuale Anteil der entweichenden flüchtigen Bestandteile, die auf einer Kaltplatte bei einer bestimmten Temperatur kondensieren. Raumfahrtstandards erfordern in der Regel \text{CVCM} \le 0,10\%.
II. Technische Kernrisiken, die durch langwierige Hochtemperatur-Ausgasung gelöst werden
- Verhinderung von „Ablagerungsverschmutzung“ an optischen Fenstern und empfindlichen Bauteilen:
In Nutzlasten für die Raumfahrt (wie satellitengestützte Laserkommunikationssysteme, hochpräzise Spektrometer, optische Sensoren) können die ausgasenden organischen flüchtigen Bestandteile auf kalten optischen Linsen, Spiegeln, Laserenden oder Detektorfenstern sekundär kondensieren und einen Polymerfilm bilden. Diese Ablagerungsverschmutzung führt zu einem drastischen Rückgang der optischen Transmission, erhöhter Streuung oder sogar zum Ausfall des Gesamtsystems. - Gewährleistung des Vakuums und einer gasdichten Umgebung:
In geschlossenen oder halbgeschlossenen Raumfahrtkomponenten können die ausgasenden Glasfasern kontinuierlich Gase freisetzen und die lokale Vakuumumgebung stören. - Beseitigung von Risiken der Degradation von organischen Beschichtungen:
Der Hochtemperatur-Ausgasungsprozess kann die Vernetzung und Aushärtung der Polymerbeschichtung vervollständigen, Restspannungen und instabile Molekülketten entfernen und so Rissbildung oder Ablösung der Beschichtung unter wechselnden Weltraumtemperaturen verhindern.
III. Spezielle Vakuum-Glasfasern für die Raumfahrt und zugehörige Komponenten
Herkömmliche Glasfasern mit Acrylatbeschichtung haben eine niedrige Temperaturgrenze und eine hohe Vakuum-Ausgasungsrate, die die strengen Anforderungen an die Vor-Ausgasung und das Vakuum im Weltraum nicht erfüllen können. Im Produktportfolio von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) werden typischerweise Glasfasern mit Polyimidbeschichtung für hohe Temperaturen oder metallisierte (vergoldete) Glasfasern für das Vakuum verwendet, um das Problem der Vakuum-Ausgasung zu lösen:
1. Hochtemperatur-Polyimid-Glasfaser
Polyimid-Beschichtungen weisen eine extrem niedrige Vakuum-Ausgasungsrate und eine extrem hohe Temperaturbeständigkeit auf (sie können langwierigen Ausgasungstests bei über 300\ ^\circ\text{C} und Temperaturwechselzyklen standhalten) und sind die gängigste Wahl für Glasfasersensorik und -kommunikation im Weltraum.
OFSCN® 300℃ SM Polyimide Optical Fiber
2. Vergoldete Spezialglasfaser (keine organischen Materialien, kein Ausgasungsrisiko)
Die Verwendung von metallischem Gold als Schutzbeschichtung eliminiert organische Polymermaterialien vollständig, beseitigt grundlegend das Risiko der Ausgasung organischer Substanzen und der Verschmutzung und ist für Temperaturen von -270\ ^\circ\text{C} bis 700\ ^\circ\text{C} geeignet.
OFSCN® Gold-coated Optical Fiber
3. Vakuum-abgedichtete Glasfaserflansche
Wenn Glasfasersignale die Vakuumwand eines Gehäuses durchdringen müssen, sind hochgradig gasdichte Glasfaser-Flanschbaugruppen mit geringer Ausgasung erforderlich, die Vakuumgrade von besser als 1 \times 10^{-7}\ \text{Pa} bis 1 \times 10^{-9}\ \text{Pa} erreichen können.
