Die ESA plant, ihre FLEX-Mission im Jahr 2025 zu starten. Ziel ist es, Daten über die Vegetation der Erde aus dem Weltraum zu sammeln. Für das Spektrometer an Bord des Satelliten haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena eine Doppelspaltanordnung mit außergewöhnlicher Genauigkeit sowie zwei hochpräzise Spiegel entwickelt und gefertigt. Der Doppelspalt wird unter vorgestellt SPIE Photonics West in San Francisco vom 30. Januar bis 1. Februar.
Wie viel Licht strahlen Pflanzen aus und was kann uns diese Lichtemission über die Gesundheit der Pflanzen verraten? Dieser Frage wird sich ab 2025 die ESA-Mission „FLuoreszenz Explorer Mission“ (FLEX) widmen. Herzstück des Satelliten wird das „Fluoreszenz Imaging Spectrometer“ (kurz FLORIS) sein.
Im Gegensatz zu vielen anderen Spektrometern arbeitet FLORIS jedoch nicht mit einem einzigen Lichtkanal, sondern mit zwei. „Das bedeutet, dass es zwei optische Schlitze benötigt, durch die das Licht in das Instrument gelangen kann“, erklärt Falk Kemper. Kemper ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IOF und leitet dort das FLEX-Projekt. „Um diese beiden Kanäle zu erzeugen, braucht man eine hochpräzise Anordnung zweier Spalte, einen sogenannten Doppelspalt. Genau das haben wir in Jena entwickelt und gefertigt, zusammen mit hochpräzisen Spiegeln für das Spektrometer.“
Komponenten für Weltraumspektrometer mit außergewöhnlicher Genauigkeit
Das Besondere an der Doppelspaltanordnung ist ihre außergewöhnliche Präzision: Jeder Spalt der Doppelspaltanordnung muss mit einer exakten Breite von 85 (+/-1) Mikrometern gefertigt werden, und das auf einer Länge von 44,15 Millimetern. „Zu breite oder zu schmale Schlitze hätten zu viel oder zu wenig Licht auf den Detektor geleitet und eine Auswertung des für die Mission interessierenden Lichtanteils unmöglich gemacht“, erklärt Kemper.
Auch an die in Jena gefertigten Spiegel, die das Licht auf den Detektor im Inneren des Spektrometers leiten sollen, galten besondere Anforderungen: Diese mussten eine Rauheitsanforderung von 0,3 Nanometern rms (Root Mean Square) aufweisen. „Das entspricht in etwa dem Abstand zwischen einem und zwei Atomen“, erklärt Kemper. „Die Anforderungen waren unglaublich hoch und lagen an der Grenze des technisch Machbaren.“
Spezielle lithografische Strukturierung für siliziumbasierten Doppelspalt
Der Doppelspalt wurde auf Siliziumbasis hergestellt. Für die Produktion wurde am Fraunhofer IOF eine spezielle lithografische Prozesskette entwickelt, bei der lithografische Strukturierungstechniken für das Ätzen von Siliziumwafern adaptiert wurden: „Unsere Strategie bestand darin, die Siliziumwafer zu maskieren, zu entwickeln und zeitgesteuert nass zu ätzen“, sagt er Der Projektleiter erklärt den Prozess. „Aufgrund der sehr hohen geforderten Genauigkeiten mussten wir zahlreiche Parameteriterationen durchlaufen, um die Produktionskette so stabil zu machen, dass Schlitze entsprechend den Anforderungen hergestellt werden konnten.“
Abschließend wurden die Schlitze schwarz beschichtet, um die vorgegebene optische Reflektivität und optische Dichte zu erreichen. „Die schwarze Beschichtung der Schlitze führte auch zu einer Veränderung der Schlitzgeometrie und musste beim Ätzen der Schlitze entsprechend beibehalten werden.“
Robuste Halterung für den Einsatz in Weltraumspektrometern
Das Gerät ist so konzipiert, dass der Silizium-Doppelspalt in einer mechanischen Halterung montiert ist. Dort mussten die beiden fragilen Schlitze hochparallel zu den Öffnungen im Halter angebracht werden, also mit einer Genauigkeit von weniger als 5 Mikrometern und einer Schlitzplanarität von weniger als 10 Mikrometern. Darüber hinaus mussten die beiden Schlitze so installiert werden, dass sie sich nicht verformen oder brechen – selbst wenn beim Start des FLEX-Satelliten starke Vibrationen, Temperaturschwankungen und Beschleunigungen auftreten.
Um die nötige Robustheit der Baugruppe zu gewährleisten, entwickelten die Forscher des Fraunhofer IOF daher ein spezielles Montagekonzept, also eine Strategie, verschiedene Komponenten zu einer Baugruppe zusammenzufügen. „Erreicht wurde dies durch eine Kombination aus Formschluss, Klemmung und Verklebung“, berichtet Kemper.
Der Doppelspalt ermöglicht dem Spektrometer eine feinere und breitere Lichtanalyse
Das spezielle Design des FLORIS-Spektrometers mit dem Doppelspalt bietet einen entscheidenden Vorteil für die Ziele der FLEX-Mission: „Durch den Doppelspalt können zwei Kanäle im Spektrometer betrieben werden: einer für hohe Auflösung und einer für niedrige Auflösung.“ sagt Falk Kemper.
Der hochauflösende Kanal kann kleinste Unterschiede in den Wellenlängen des Lichts erkennen, während der niedrigauflösende Kanal breitere Bereiche des Lichtspektrums erfassen kann. Die Kombination beider Kanäle ermöglicht eine umfassendere Analyse des Lichts und damit eine detaillierte Analyse der Pflanzenvegetation.
FLEX-Mission zur Überwachung von Vegetationsdaten auf der Erde
Die FLuoreszenz-Explorer-Mission, deren Start für 2025 geplant ist, wird globale Karten der Pflanzenfluoreszenz, also der Lichtemission von Pflanzen, liefern. Diese Daten sollen Aufschluss über die Photosyntheseaktivität sowie die Gesundheit und den Stress von Pflanzen geben.
Solche Daten sind nicht nur wichtig für ein besseres Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufs, sondern auch für die Landwirtschaft und die zukünftige Ernährungssicherheit im Kontext einer wachsenden Weltbevölkerung. Bisher war es nicht möglich, die Photosyntheseaktivität von Pflanzen aus dem Weltraum zu messen.