Satellitengestützte Erforschung der Erdmagnetosphäre

Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS, das Institut für Weltraumforschung (IWF) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und der Geschäftsbereich Full Service Foundry der ams AG, ein führender Entwickler und Hersteller von hochwertigen analogen integrierten Schaltungen (ICs) und Sensoren, ermöglichen die präzise dreidimensionale Vermessung des Erdmagnetfelds, bei der erstmals ein neuartiger IC zum Einsatz kommt. Vier identisch bestückte Satelliten, die im Zuge der NASA-Mission „Magnetospheric Multiscale“ (MMS) Mitte März in den Weltraum geschickt wurden, führen dreidimensionale Messungen der magnetischen Schutzhülle der Erde durch. Ziel der Mission ist es, die Dynamik des Erdmagnetfelds zu erforschen sowie kleinste Änderungen mit höchster Genauigkeit zu vermessen. Im Mittelpunkt der Untersuchungen des Grazer Instituts für Weltraumforschung steht die so genannte magnetische Rekonnexion, bei der magnetische Energie in Teilchenenergie umgewandelt und explosionsartig freigesetzt wird, wodurch auf der Erde magnetische Stürme und Phänomene wie das Nordlicht entstehen. Wichtig für den Einsatz von Messinstrumenten in Satelliten ist eine platz-, gewichts- und leistungssparende Elektronik. Darüber hinaus werden höchste Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und der Toleranz gegenüber radioaktiver Strahlung und Temperaturänderungen gestellt. Die kundenspezifische integrierte Schaltung für hochempfindliche Magnetfeldmessung wurde vom Fraunhofer IIS gemeinsam mit dem IWF Graz für ein digitales Fluxgate-Magnetometer (DFG) entwickelt. Die University of California, Los Angeles, hat den Magnetfeldsensor gebaut. Das Messgerät erfasst kleinste Magnetfelder mit einer Auflösung von zehn Picotesla und ist damit mehrere tausend Mal empfindlicher als ein elektronischer Erdkompass. Der für die Herstellung verwendete 0,35 μm CMOS-Spezialprozess von ams ermöglicht die Entwicklung von extrem effizienten und hochgenauen integrierten Schaltungen. Durch seine Prozessarchitektur und Robustheit gegen Strahlung eignet sich der C35-Prozess besonders gut für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Ein umfangreiches Angebot an stromsparenden Schaltungsbauteilen und Bibliotheken, IP-Blöcken und Sensorelementen reduziert Entwicklungszeit und -risiko maßgeblich und ermöglicht die Entwicklung von komplexen analogen Schaltungen, die auf Anhieb funktionieren. „Mit dem 0,35 μm CMOS-Prozess von ams war es unseren Wissenschaftlern am Fraunhofer IIS möglich, eine integrierte Auswerteschaltung zu entwickeln, die die Erwartungen unserer Projektpartner bezüglich Performance, Verlustleistung, Chipfläche und Zuverlässigkeit in jeder Hinsicht erfüllen konnte“, sagt Johann Hauer, zuständiger Projektleiter für die ASIC-Integration am Fraunhofer IIS. „Nach der ersten, noch recht kurzen Testphase kann bereits bestätigt werden, dass das auf dem steirischen Chip basierende Magnetometer die wissenschaftlichen Anforderungen in puncto Auflösungsgenauigkeit und Stabilität sogar deutlich übertrifft“, sagt Werner Magnes, stellvertretender IWF-Direktor und verantwortlicher Wissenschaftler. „Wir arbeiten seit beinahe 25 Jahren mit dem Fraunhofer IIS zusammen und konnten in dieser Zeit gemeinsam zahlreiche komplexe Schaltungen sowohl für den Forschungsbereich als auch für die Industrie realisieren. Es freut uns sehr, dass unsere ICs mit Hilfe des IWF nun sogar das All erobern durften und wir so auch einen Beitrag zu einem besseren Verständnis über die Physik unsere Erde leisten können“, betont Markus Wuchse, Leiter des Geschäftsbereichs Full Service Foundry von ams. ----- Bild: Layout der integrierten Schaltung für hochempfindliche Magnetfeldmessung im Weltraum. © Fraunhofer IIS/Johann Hauer