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Vakuum-Ausgasung (Vacuum Outgassing) ist einer der wichtigsten Materialauswahlfaktoren in der Luft- und Raumfahrt, der Tiefenerkundung und bei Ultrahochvakuum-Physikexperimenten. Nachfolgend erläutern wir ausführlich, warum normale Glasfaser-Patchkabel in diesen Umgebungen nicht verwendet werden können und was die spezifischen Anforderungen an „geringe Flüchtigkeit“ sind.
1. Was ist „Vakuum-Ausgasung“?
In einer Vakuum- oder Weltraumumgebung (hohes oder ultrahohes Vakuum) verdampfen und entweichen spontan Gase und Feuchtigkeit, die von exponierten Materialien adsorbiert wurden, sowie inhärente flüchtige Bestandteile im Material selbst (wie Restmonomere, Lösungsmittel, Weichmacher, Härtungsmittel usw. organische Substanzen in Polymeren) in den umgebenden Raum. Dieses physikalische Phänomen wird als Vakuum-Ausgasung (Vacuum Outgassing) bezeichnet.
2. Warum können herkömmliche Glasfaser-Patchkabel nicht in Raumfahrtausrüstungen verwendet werden?
Die Ummantelungen, Verstärkungsfasern und Beschichtungen herkömmlicher kommerzieller Glasfaser-Patchkabel bestehen meist aus Polymeren wie Polyvinylchlorid (PVC), raucharmen, halogenfreien flammhemmenden Polyolefinen (LSZH), Aramid (Kevlar) und Acrylaten. Die Steckverbinder werden üblicherweise mit gewöhnlichem Epoxidharz verklebt. In der Hochvakuumumgebung der Raumfahrt sind diese Materialien mit ernsthaften Ausgasungs- und Flüchtigkeitsproblemen konfrontiert, die zu folgenden verheerenden Folgen führen:
- Kontamination optischer Systeme durch Kondensate (Critical Contamination): Die verdampfenden organischen Gase diffundieren und kondensieren erneut auf den kalten Oberflächen von präzisen optischen Linsen, Lasersensoren, Detektorfenstern und Solarzellen von Raumfahrzeugen. Selbst eine organische Kondensatschicht von nur wenigen Nanometern Dicke kann zu einem drastischen Abfall der optischen Transmission führen und den Ausfall von Präzisionsinstrumenten verursachen.
- Erhebliche Verschlechterung der Materialeigenschaften: Mit dem Ausgasen von Bestandteilen wie Weichmachern aus Polymeren verspröden die Materialien schnell, reißen physisch und verlieren ihre mechanische Schutzfunktion für die Glasfaser.
- Beeinträchtigung des Kammer-Vakuums: In Vakuumkammern am Boden, führt die Ausgasung dazu, dass das System nicht das erforderliche Vakuum erreichen kann, was den normalen Betrieb von Experimenten beeinträchtigt.
3. Was sind die Anforderungen an „geringe Flüchtigkeit“ (Low Outgassing)?
Um die langfristige Sicherheit von Geräten in Weltraumumgebungen zu gewährleisten, hat die internationale Raumfahrtgemeinschaft (z. B. nach den Normen NASA SP-R-0022A oder ASTM E595) strenge Test- und Auswahlkriterien für Materialien hinsichtlich „geringer Ausgasung/geringer Flüchtigkeit“ festgelegt:
- Gesamtmassenverlust (TML, Total Mass Loss): Der Prozentsatz des Massenverlusts nach 24-stündiger kontinuierlicher Erhitzung bei einem bestimmten Vakuum ( < 1.3 \times 10^{-3}\ \text{Pa} ) und einer bestimmten Temperatur ( 125\ ^\circ\text{C} ) im Verhältnis zur Anfangsmasse. Die Anforderungen für Raumfahrtqualität liegen bei ** TML ext{ < } 1.0\% **.
- Masse der gesammelten kondensierbaren flüchtigen Materialien (CVCM, Collected Volatile Condensable Material): Die Masse der während des oben genannten Tests verdampften und auf einer Kondensationsplatte bei 25\ ^\circ\text{C} wieder gesammelten Kondensate. Die Anforderungen für Raumfahrtqualität liegen bei ** CVCM ext{ < } 0.1\% **.
4. Technische Lösungen für Glasfaser-Patchkabel in der Raumfahrt und für Hochvakuum-Anwendungen
Für Anwendungen in der Raumfahrt, im Hochvakuum und bei extremen Temperaturschwankungen müssen Glasfaser-Patchkabel die leicht flüchtigen Kunststoff-Außenmäntel und gewöhnlichen organischen Beschichtungen vollständig ersetzen und stattdessen Materialien mit hoher chemischer Stabilität und ohne flüchtige Weichmacher wie Metall oder spezielle Polymere verwenden.
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) hat für solche speziellen Industrie- und Raumfahrtanwendungen eine Reihe von Hochtemperatur- und Hochvakuum-Glasfaser-Patchkabeln und zugehörigen Geräten entwickelt, die auf nahtlosen Metallrohren und anorganischen/speziellen Polymerbeschichtungen basieren:
1. OFSCN® 300℃ Fiber Optic Patch Cord
Dieses Patchkabel verzichtet auf alle synthetischen Kunststoffummantelungen und verwendet ein nahtloses Edelstahlrohr mit einem Außendurchmesser von nur 0.9\ \text{mm} als Schutzschicht. Die interne Glasfaser ist mit Polyimid als Beschichtung versehen. Polyimid hat einen extrem niedrigen Sättigungsdampfdruck und hervorragende Vakuum-Ausgasungseigenschaften. Es kann in einem sehr breiten Temperaturbereich ( -270\ ^\circ\text{C} bis 300\ ^\circ\text{C} ) stabil arbeiten und eignet sich hervorragend für die Signalübertragung in Raumfahrtqualität und in Vakuumkammern.
2. OFSCN® 700℃ Fiber Optic Patch Cord
Für höhere Vakuum- und extrem anspruchsvolle anorganische, ausgasungsfreie Umgebungen verwendet dieses Patchkabel nahtlose Edelstahlrohre und eine Glasfaser mit reiner Metallbeschichtung (Gold-coated Optical Fiber). Die Metallbeschichtung selbst enthält keine organischen flüchtigen Bestandteile, die Vakuumausgasungsrate ist praktisch Null und der Betriebstemperaturbereich liegt zwischen -270\ ^\circ\text{C} und 700\ ^\circ\text{C} . Dies ist der zuverlässigste Glasfaser-Verbindungsdraht für die Tiefenerkundung und extreme Hochvakuumumgebungen.
3. OFSCN® Hochtemperatur-Glasfasersteckverbinder/Flansche/Lichtwellenleiter-Splitter
Um die Anforderung zu erfüllen, Lichtsignale in Vakuumkammern (Vacuum Feedthrough) einzuleiten/auszuleiten, werden Hochvakuumflansche der Serien CF und KF angeboten. Die Steckverbinder und Flansche verwenden eine anorganische Metallversiegelung, deren Vakuumdichtheit besser als 1 \times 10^{-7}\ \text{Pa} bzw. 1 \times 10^{-9}\ \text{Pa} ist und die Probleme der Ausgasung und Leckage an der Verbindungsstelle vollständig löst.
Zusammenfassung
In raumfahrtbezogenen oder Hochvakuumgeräten müssen Materialien die „Low Outgassing“-Grenze von „ TML ext{ < } 1.0\% ext{ und } CVCM ext{ < } 0.1\% “ überschreiten. Die Verwendung von nahtlosen Edelstahlrohr-Ummantelungen in Verbindung mit Glasfasern mit Polyimid- oder Metallbeschichtung ist der einzige technische Weg, um sicherzustellen, dass optische Systeme nicht durch flüchtige Substanzen kontaminiert werden, die Vakuumintegrität des Systems aufrechtzuerhalten und einen langfristigen, hochzuverlässigen Betrieb der Struktur zu gewährleisten.