Das Elektrostatische 3-Achsen Gravitationgradiometer (EGG)

Ein Gradiometer besteht aus 3 Achsen. Auf diesen Achsen sitzen jeweils zwei Akzelerometer im Abstand von 50 cm. Die drei Arme sind orthogonal zueinander angeordnet: einer zeigt in Richtung der Flugbahn des Satelliten (x-Achse), der andere steht senkrecht dazu (y-Achse) und der dritte zeigt in etwa vom Erdmittelpunkt weg (z-Achse).

Das Messprinzip eines Akzelerometers beruht auf der Messung der elektrostatischen Kräfte, die notwendig sind, um eine Probemasse im Zentrum eines speziell angefertigten Käfigs zu halten. Dabei erfasst die servogesteuerte Aufhängung der Prüfmasse deren lineare und Rotationsbewegung.

Die Probemasse, ein Platin-Rhodium-Quader, hat die Abmessungen 4x4x1 cm und eine Masse von 320g, der Käfig aus ULE-Keramik ist mit Goldelektroden bedampft. Paarweise dienen diese sowohl als Kondensator zur kapazitiven Erfassung der Bewegung des Probekörpers als auch zur Erzeugung des elektrischen Feldes, das die Probemasse schwebend hält. Kontaktiert wird die Probemasse durch einen 25mm langen und 5µm „dicken" Golddraht.

GOCE-Akzelerometer: schematisch und real

 

 

Das Gravitationsgradiometer benötigt eine eigene Wärmeableitung. Auf dem Foto sind die flügelartige Radiatoren zu erkennen.

Wegen ihrer unterschiedlichen Lage im Erdschwerefeld spüren die zwei auf einem Gravimeterarm im festen Abstand gehaltenen Probemassen eine leicht unterschiedliche Kraft. Aus der Differenz dieser Messungen kann man auf den Gradienten der Erdbeschleunigung schließen, während ihre Summe ein Maß für die Störbeschleunigung in Richtung der Gradiometerachse ist..Kombiniert man die drei Beschleunigungsunterschiede, ist es möglich, sowohl alle Komponenten des Gravitationsgradiententensors zu bestimmen als auch die störenden Winkelbeschleunigungen zu erfassen. Die so gemessenen Störbeschleunigungen gehen in die Lage- und Drag-free-Regelung des Satelliten mit ein, weswegen bei GOCE Satellit und Zuladung nicht voneinander zu trennen sind.

Höchste Genauigkeit und eine äußerst stabile Positionierung der Akzelerometer sind die größten Herausforderungen beim Bau eines Gradiometers (z.B. der Abstand zweier Akzelerometer auf dem Gradiometerarm (0,5 m) ist auf 50 µm genau.) An die Gradiometerstruktur werden höchste Ansprüche an mechanischer Stabilität gestellt. Dies erfordert den Einsatz von sehr belastbarem Material. Für die Gradiometerarme wurde deshalb ein Gewebe aus Kohlenstofffasern entwickelt, die in eine Kohlenstoffmatrix gegossen sind. Diese kohlenstofffaser- verstärkten Plastikschichten umschließen eine Bienenwabenstruktur, die ebenfalls aus einem Kohlenstofffasergewebe gefertigt ist. „Carbon-carbon-layers" wird das Gewebe im internationalen Sprachgebrauch genannt.

 

Abbildung „carbon-carbon-layers"

Das Material zeichnet sich durch eine hohe mechanische Stabilität gepaart mit einem sehr kleinen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten (-1*10-7/K) aus. Die gleiche Eigenschaft findet man auch bei Invar, einem Material aus verschiedenen Metalllegierungen, das ebenfalls beim Bau des Gradiometers zum Einsatz kommt. Es wird für die Halterungen der Akzelerometer auf dem Gradiometerarm verwendet.

Übersicht Gravitationsgradiometer als PDF-Dokument