預測微隕石造成的損害並將其影響降至最低
太空探索的商業化，增加了對太空與行星探索及衛星任務創新技術的需求。為確保太空結構的安全性與可靠性，評估其結構完整性至關重要。苛刻的太空環境條件，例如輻射與劇烈的高溫波動，會加劇材料的劣化與磨損。此外，微隕石撞擊的風險無處不在，這可能造成嚴重的結構損壞。
太空中的挑戰
隨著低地球軌道（LEO）上的衛星數量不斷增加，由太空垃圾引發碰撞的機率也隨之上升。 歐洲太空總署（ESA）估計，軌道上存在超過一百萬顆直徑大於 1 公分的碎片，其中僅約 30,000 顆被編入目錄並受到監測，例如透過太空監測網（Space Surveillance Network）進行監測。與這些碎片的碰撞以及微隕石的撞擊，可能會造成結構性損壞，進而影響結構元件和電子子系統的功能，最壞的情況下甚至會導致整個任務終止。
目標：在軌評估
在地球上實施的傳統無損檢測方法，在太空環境中僅能有限度地應用。因此，必須對任務關鍵結構與系統的狀態進行在軌評估，以監測其劣化過程，並偵測如撞擊損壞等特殊事件的發生。
結構監測系統作為一種無損檢測方法，已在各工業領域及地面應用中證明其技術成熟度。接下來的合理步驟，便是將既有的監測方法與系統進行改造並通過資格認證，以適用於太空環境；此項工作正作為 SeRANIS 計畫的一部分，透過「結構事件監測」飛行實驗（針對基於振動與超音波的結構監測）來實施。
透過在 SeRANIS 研究衛星 Athene-1 上整合原型機，將能提供來自低地球軌道的振動數據，藉此提升太空態勢感知（SSA）能力，並支援後續的研究工作。
測試活動
微小粒子碰撞與衝擊的可靠偵測，會受到衛星平台上其他子系統所發出的結構性背景噪音影響。為了將監測系統的事件偵測率最大化，必須針對預期的振動模式對演算法偵測器進行訓練。為此，研究團隊於弗萊堡的弗勞恩霍夫高速動力學研究所（Ernst-Mach-Institut, EMI）進行了一系列實驗，以探究超高速衝擊（HVI）。 此次衝擊實驗採用兩級輕氣動槍（SLGG）進行，該裝置可將微粒加速至最高 7 km/s。
微粒被置於彈托中，透過點燃黑火藥裝藥及隨之產生的氣體壓縮，使彈托加速至所需的發射速度。 由直徑 100-200 μm 的球形玻璃珠組成的微粒雲中，有一部分以約 2.5 km/s 的速度撞擊目標樣本（參見圖 1 和圖 2）。該目標樣本為一塊由空中巴士國防與太空有限公司（Airbus Defense and Space GmbH）提供的光伏元件，並在靶室中與發射軸線垂直對齊。
為了將微小粒子加速至超高速，將靶室抽真空至 80 mbar。當裝載粒子的導彈頭進入靶室時，殘餘大氣的摩擦力導致導彈頭分離，使部分粒子雲被隔離，並有針對性地撞擊光電元件。
研究中將日後將應用於太空的壓電陶瓷加速器與超音波感測器，應用於該靶樣本上。
突破超音波感測器的性能限制：Polytec 雷射振動計與訊號處理器的應用
加速度感測器與超音波感測器的機械設計，限制了其可偵測的頻率範圍。此外，感測器的慣性及與載體結構的物理連接等其他因素，也難免會影響測量品質，因為高頻訊號有時無法被完全擷取。為了不影響測量結果的資訊含量，本次採用了Polytec GmbH 提供的四台雷射振動計。這些儀器同時在目標樣品的前後兩側、分佈於四個測量點處，對衝擊訊號進行測量。 在衝擊測試中，透過偏轉鏡將振動計的雷射光束對準預定的測量點。
雷射多普勒振動計利用光訊號的頻率偏移，該偏移量與測量表面的表面速度成正比。此方法在測量頻率上並無根本限制，因此即使數兆赫茲的高頻運動也能被精確捕捉。因此，雷射振動計能夠測量遠超出傳統感測器測量範圍的瞬態訊號。
對於衝擊測試計畫而言，利用雷射對試樣表面進行非接觸式測量亦具有顯著優勢：一方面，試樣不受質量效應影響，可確保測量數據的高一致性；另一方面，可透過靶室的觀察窗便捷地進行測量。
這些實驗的重點在於偵測與分析所謂的「聲學發射」，其以彈性超音波的形式在結構中傳播。這些被稱為「蘭姆波」的發射現象，是偵測微粒所造成的高速衝擊的可靠指標。現有的結構損壞與劣化效應也會透過類似現象顯現出來，因此透過結構傳導的聲學發射，可據此推斷元件的健康狀態。
其中一項挑戰在於，測試開始時尚無法得知衝擊的訊號特性及所需的測量參數，因此必須在每次測試之間進行測定與調整。為此，會運用由Polytec 訊號處理器所提供的強大且靈活的分析軟體。透過結合頻率變換、濾波以及數值微分／積分等軟體功能，可對衝擊訊號進行分析，並與記錄的感測器訊號進行比對，從而成功優化測量設定。
展望
衝擊誘導的波脈衝伴隨著一系列複雜的物理過程：可見光、紅外線及微波光譜範圍內的電磁輻射從衝擊點散發出來，等離子體與次級粒子雲從撞擊坑中湧出（參見影片片段），並造成從微裂紋到細胞完全穿孔不等的損壞。
為了能可靠地偵測此類衝擊事件的發生，必須了解這些現象所引發的振動與結構傳聲模式。所進行的研究對開發創新的偵測演算法貢獻良多，而這些演算法正是 SeRANIS 飛行實驗「結構事件監測」的核心。下一步，將利用轟擊測試的結果，對合適的感測器與硬體元件進行資格認證。
最後，將針對基於振動與超音波訊號的偵測與分類方法進行訓練，以評估其在實際運作條件下的適用性。該實驗所開發的原型機將在低地球軌道（LEO）進行為期至少兩年的任務測試。
