Warum halten Laser im Weltraum nicht lange?
Ein Nachrichtenartikel berichtet das
OSIRIS-REx war mit zwei Lasern ausgestattet, mit denen das Raumschiff vom Gestein abschießen und das Echo untersuchen konnte, um das Lande- und Probenahmemanöver zu erleichtern. ...
Die meisten Laser halten im Weltraum nicht lange , daher ist es selten, dass zwei funktionierende Laser auf einem Raumschiff älter als ein Jahrzehnt sind, sagte Dante Lauretta. "Mit zwei frischen Lasern, die wir noch nie benutzt haben, bin ich darüber ziemlich aufgeregt."
Was verkürzt die Lebensdauer eines solchen Lasers, wenn er sich auf einem Raumschiff befindet?
(Es hört sich so an, als ob die Lebensdauer verkürzt wird. Im ausgeschalteten Zustand verschlechtert sie sich nicht.)
Es ist ein LIDAR aka Laser Range Höhenmesser, "OLA".
https://www.asteroidmission.org/objectives/instruments/
https://link.springer.com/article/10.1007/s11214-017-0375-3
https://www.asteroidmission.org/wp-content/uploads/2016/05/OLA-Schematic.png
Antworten
Das Papier "Lasertechnologie in photonischen Anwendungen für den Weltraum" von Denis Guilhot und Pol Ribes-Pleguezuelo beleuchtet einige der Probleme von Lasern im Weltraum:
Im speziellen Fall von Laserdioden kann das zur Verpackung des Laserchips verwendete Indium aufgrund des Indium-Kriechverhaltens, das zu einem tödlichen Geräteausfall führen kann, ein Risiko für extreme Temperaturbereiche darstellen [135]. Darüber hinaus können Hochvakuumregime aufgrund von Dehydratisierung sogar Änderungen der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Bauteilen verursachen [137]. Ein weiteres häufiges Problem für die Laserkristalle und -fasern ist der Photodarkeneffekt, der in optischen Komponenten aufgrund der Strahlungsabsorption erzeugt wird. Es wurden viele Studien zu den Auswirkungen verschiedener Arten von Strahlung auf verschiedene Lasermaterialien mit unterschiedlichen Dotierungsverhältnissen durchgeführt [138, 139], die von photonischen Raumfahrtingenieuren überprüft werden sollten, um die besten Kandidaten für ihre Baugruppen auszuwählen. Dieses Problem kann leicht gelöst werden, indem die Abschirmung der Komponenten verbessert wird.Die erhöhte Dicke, die durch die zusätzlichen Materialschichten zum Schutz der Komponenten verursacht wird, erhöht das Gewicht des integrierten Geräts und häufig dessen Größe und Kosten. Aus diesem Grund müssen die Komponenten sorgfältig ausgewählt werden, um eine optimale Übereinstimmung mit den Missionsstrahlungsbudgets zu gewährleisten, damit die Laserleistung über die lange Betriebsdauer der Mission die erforderlichen Spezifikationen beibehält, ohne dass unnötige Kosten entstehen, die durch zusätzliche Abschirmung verursacht werden.Die Komponenten müssen sorgfältig ausgewählt werden, um eine optimale Anpassung an die Strahlungsbudgets der Mission zu gewährleisten, damit die Laserleistung über die lange Betriebsdauer der Mission die erforderlichen Spezifikationen beibehält, ohne dass unnötige Kosten durch zusätzliche Abschirmung entstehen.Die Komponenten müssen sorgfältig ausgewählt werden, um eine optimale Anpassung an die Strahlungsbudgets der Mission zu gewährleisten, damit die Laserleistung über die lange Betriebsdauer der Mission die erforderlichen Spezifikationen beibehält, ohne dass unnötige Kosten durch zusätzliche Abschirmung entstehen.
[...]
Both reliability and cost factors are important requirements that often greatly affect the design choice, the former also affecting the efficiency trade that needs to be made in terms of de-rating for lifetime.
The paper "Development of the Laser Altimeter (LIDAR) for Hayabusa2" by Mizuno et al. describes how the laser altimeter on the SELENE lunar orbiter failed, because the Laser Diode (LD) deteriorated:
It is known that the LD in a high-power quasi-continuous wave laser will deteriorate with the number oscillations, thus decreasing output; generally speaking, an LD’s useful lifetime is about ($10^{9}$) shots. In the case of the LALT on SELENE, however, laser power began to rapidly decrease at about ($10^{7}$) shots in orbit, even though the laser power was maintained over ($10^{8}$) shots in preflight tests. We attributed this to deterioration of LD output
[...]
We needed to cope with several problems related to the laser. Namely, (1) its vulnerability to temperature change, (2) its vulnerability to mechanical stress, and (3) degradation of the LD. [...] Regarding problem (3), degradation of the LD, we were unable to identify the exact cause of the degradation.
In general, laser diodes are affected by temperature changes and radiation. Annealing at a higher temperature can fix defects in the crystal, but it doesn't always work: (from the same paper)
However, in thermal vacuum tests of the laser module, the output power of the laser decreased when the laser temperature was decreased to 10 °C or less. We also found a fault in which laser output did not recover even after returning to room temperature, due to degradation of the extinction ratio of the Pockels cells