40 Jahre Mondlandung – ein Laserreflektor feiert Jubiläum

Als am 20. Juli 1969 der amerikanische Astronaut Neil Armstrong als erster Mensch den Mond betrat, war dies nicht nur ein großer Schritt für die Menschheit, sondern auch ein Meilenstein für die Wissenschaft.

Denn die legendäre Apollo-11-Mission brachte vor nunmehr 40 Jahren auch einen Laserreflektor mit auf den Erdtrabanten. Der Reflektor dient heute noch zur genauen Bestimmung des Abstandes zwischen Erde und Mond (im Durchschnitt rund 384.000 Kilometer).

Er besteht aus einer Anordnung von 100 Tripelprismen aus Quarzglas, das vom Edelmetall- und Technologiekonzern Heraeus geliefert wurde. „Suprasil®1 ist ein Quarzglas mit hervorragender optischer Homogenität in allen drei Raumrichtungen. Die NASA hatte dieses Material wegen seiner ausgezeichneten Langzeitstabilität gegen ionisierende Strahlung ausgewählt“, erläutert Dr. Ralf Takke, Vice President Division Optics bei Heraeus Quarzglas.

Bei der Abstandsmessung wird ein infraroter Laserstrahl hoher Intensität auf die Retro-Reflektoren gerichtet und dann die Laufzeit des Lichtes gemessen (Lunar Laser Ranging, LLR-Messung). Die Reflektoren haben die Eigenschaft, das ankommende Laserlicht genau in dieselbe Richtung zurückzuwerfen, aus der die Strahlung kommt – ähnlich wie „Katzenaugen“ beim Fahrrad. Jede kleinste Inhomogenität im Quarzglas würde den Laserstrahl mit starkem Signal-Verlust reflektieren oder ablenken und zu Falschmessungen führen.

Quarzglas ideales Material für komplexe Weltraumprojekte

Nach nunmehr 40 Jahren sind die Retro-Reflektoren immer noch erfolgreich im Einsatz – vielleicht auch, weil’s Quarzglas von Heraeus ist. 1971 wurden mit den Apollo-14- und Apollo-15-Missionen zwei weitere Laserreflektoren auf dem Mond platziert. Ihre Aufgabe ist es, die schwankende Eigendrehung des Mondes mit der Laser-Reflektionsmethode sehr genau zu vermessen. Diese Daten liefern wichtige Informationen zum Gravitationsfeld und zur Gezeitendeformation des Mondes. Materialien wie Quarzglas sind im Weltraum extremen Bedingungen ausgesetzt. Dabei sind das Vakuum des Weltraums, die harte UV-Strahlung der Sonne und die energiereiche Strahlung aus den Tiefen des Alls die wesentlichen Umgebungsbedingungen.

„Bei Spezialaufträgen damals wie heute gehen wir oft bis an die Grenze des technisch Machbaren“, erläutert Quarzglas-Experte Takke. Aber genau in solchen außergewöhnlichen Aufträgen steckt ein Mehrwert – nicht nur für das Unternehmen. „Wir nutzen regelmäßig Spezialaufträge und technologische Herausforderungen, um das eigene Know-how als Experte für präzise hergestelltes Hochleistungs-Quarzglas immer weiter zu vervollkommnen“, so Ralf Takke. Es ist durchaus Grundlagenforschung, die aber auch eine wirtschaftliche Verwertung nach sich ziehen soll. „Die Experimente und Spezialaufträge verbessern unser Verständnis für das Material.“

Trotz seiner Faszination ist es erstaunlich, dass sich nur wenige Universitäten und Forschungsinstitute intensiver mit den Eigenschaften und Anwendungen von Quarzglas beschäftigen. Das meiste Know-how wird daher überwiegend in der Industrie generiert. Heraeus hat hierzu in den vergangenen 110 Jahren bereits viel zum Verständnis von Quarzglas beitragen können. Es überrascht daher wenig, dass es Hanauer Quarzglas-Technik bis zum Mond geschafft hat.

Eine neue Weltraummission für Quarzglas von Heraeus steht unmittelbar bevor. Im Frühjahr 2009 lieferte Heraeus Vormaterial aus Quarzglas für Prismen und Linsen für den Astrometrie-Satellit Gaia, ein Projekt der Europäischen Weltraumbehörde ESA. Der Satellit Gaia wird in seiner fünfjährigen Weltraummission die Positionen, Entfernungen und Bewegungen von ungefähr einer Milliarde Sternen bestimmen. Mit Hilfe dieser Sternmessungen soll der Ursprung und die Entwicklung der Milchstraße aufgeklärt werden. Die Mission wird 2011 gestartet.

Quarzglas wird schon seit 110 Jahren vielfältig genutzt

Heraeus ist weltweit einer der wenigen Spezialisten, der diesen Werkstoff mit gängigen Produktionsprozessen in Qualitäten erzeugt, die weltweit einzigartig sind. Ähnlich wie beim Edelmetall Platin ist die Firmengeschichte untrennbar mit Quarzglas verbunden. Dem einstigen Heraeus-Chefentwickler Dr. Richard Küch (1860 – 1915) gelang es 1899 mit Hilfe der Knallgasgebläsebrenner-Technologie (Wasserstoff-Sauerstoffflamme) Bergkristall bei einer Temperatur von rund 2000 °C zu schmelzen. Als Ergebnis erhielt er einen neuen Werkstoff mit außergewöhnlichen Eigenschaften – Quarzglas.

Äußerlich kaum von herkömmlichem Glas zu unterscheiden, besitzt Quarzglas signifikant andere Eigenschaften wie chemische, Temperatur- sowie Strahlungsbeständigkeit und optische Durchlässigkeit. Reines Quarzglas besteht ausschließlich aus Silizium und Sauerstoff (SiO2) und zeigt daher eine hohe Materialhomogenität. Eine hohe optische Transmission vom ultravioletten bis infraroten Bereich zeichnet das Material ebenso aus wie seine thermische Schockbeständigkeit. D. h., man kann es sehr schnell kühlen und erhitzen, ohne dass es zerspringt, wie dies bei gewöhnlichem Glas passiert. Speziell für Weltraumanwendungen wichtig ist seine große Beständigkeit gegen ionisierende Strahlung.

Aus Quarzglas stellte Heraeus zunächst Laborgeräte für die chemische Industrie her. Es folgten Anwendungen in der Optik (optisches Quarzglas), zur Temperaturmessung (Platin-Widerstandsthermometer) und für Lampen (z. B. Original Hanauer Höhensonne). Dank der hohen Qualität eroberten sich die optischen Quarzgläser von Heraeus ab den 1950er Jahren als Hightech-Werkstoff immer neue anspruchsvolle Anwendungsfelder in der Astrophysik, Raumfahrttechnik, Mikroelektronik, optischen Telekommunikation und Halbleiterindustrie. 1955 stellte Heraeus erstmals „Synthetisches Quarzglas“ her. Über eine spezielle Gebläseapparatur wurde eine siliziumhaltige Verbindung mit Sauerstoff in einer heißen Wasserstoffflamme zu Siliziumdioxid (SiO2) umgesetzt. Aus dem abgeschiedenen SiO2 entstand ein extrem reines, blasen- und schlierenfreies Quarzglas mit hoher UV-Durchlässigkeit. Unter dem Markennamen Suprasil® machte es z. B. in der Raumfahrttechnik Karriere als Spiegelprismen, Linsen- und Fenstermaterial. Heute ist hochreines Quarzglas bei der Herstellung von Lichtleitfasern für die Telekommunikationsindustrie, von Halbleitern sowie von Solarzellen für die Photovoltaik unentbehrlich geworden.

Der Edelmetall- und Technologiekonzern Heraeus mit Sitz in Hanau ist ein weltweit tätiges Familienunternehmen mit einer über 155-jährigen Tradition. Unsere Geschäftsfelder umfassen die Bereiche Edelmetalle, Sensoren, Dental- und Medizinprodukte, Quarzglas und Speziallichtquellen. Mit einem Produktumsatz von rund 3 Mrd. € und einem Edelmetallhandelsumsatz von 13 Mrd. € sowie weltweit knapp 13000 Mitarbeitern in mehr als 110 Gesellschaften hat Heraeus eine führende Position auf seinen globalen Absatzmärkten.

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Leiter Technologiepresse & Innovation
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