Plastikteile im Meer, Chlorophyllgehalt in Gewässern, Trockenheitsgrad auf Feldern – seit April 2022 umkreist der deutsche Umweltsatellit EnMAP unsere Erde und wird während seiner fünfjährigen Mission unzählige Daten sammeln. Das Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM und das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF haben verschiedene Kernkomponenten für das optische System des hyperspektralen Satelliten entwickelt.
Am 1. April 2022 um 18:24 Uhr mitteleuropäischer Zeit war es soweit: Der deutsche Umweltsatellit EnMAP – kurz für Environmental Mapping Analysis Program – startete vom US-Weltraumzentrum Cape Canaveral aus seine Reise ins All. Fünf Jahre lang soll es die Erde analysieren und Daten liefern, unter anderem zu den Auswirkungen des Klimawandels, zur Verfügbarkeit und Qualität von Wasser sowie zu Landnutzungsänderungen. Die ersten Daten, die der Satellit zur Erde schickte, kamen vom Bosporus und beinhalteten eine Analyse des für Algenkonzentrationen im Wasser typischen Frequenzspektrums. Mit diesen Daten wollen Forscher die Wanderung und das Wachstum von Algen untersuchen. Solche Analysen wurden teilweise durch zwei Arten von Fraunhofer-Technologien ermöglicht.
Das Herzstück des Satelliten: Ein Doppelspaltmodul des Fraunhofer IMM
Für seine Analysen erfasst der Satellit das Licht der Sonne, das von der Erde reflektiert wird. Allerdings ist der Wellenlängenbereich von 420 bis 2.420 Nanometer, also vom sichtbaren Licht bis ins tiefe Infrarot, zu groß, um ihn mit nur einem Spektrometer zu erfassen. Abhilfe schafft hier eine Technologie des Fraunhofer IMM. »Wir haben ein hochpräzises Doppelspaltmodul gefertigt, das das einfallende Licht in zwei Detektoren lenkt«, erklärt Stefan Schmitt, Gruppenleiter am Fraunhofer IMM in Mainz. Die beiden Schlitze sind naturgemäß etwas voneinander entfernt, was bedeutet, dass sie nicht auf die gleichen Punkte auf der Erde blicken. „Es dauert daher den Bruchteil einer Sekunde, bis der zweite Schlitz denselben Teil der Erde sieht wie der erste“, sagt Schmitt. Dieser Versatz muss möglichst genau bestimmt werden, um eine Überlagerung der Aufnahmen zu ermöglichen und die geforderte Auflösung von 30 Metern zu erreichen.
Der Schlüssel dazu ist das äußerst präzise Verfahren zur Herstellung des Doppelschlitzmoduls, das nur mit Siliziumtechnologie möglich ist. „Obwohl die Techniken, die uns am Institut zur Verfügung stehen, für diese Anforderungen gut geeignet sind, gab es dennoch viele herausfordernde Details zu beachten“, erinnert sich Schmitt. So erwiesen sich zunächst die verwendeten Rechteckschlitze als mechanisch nicht stabil genug. Daher stellten die Forscher Schlitze mit abgestuftem Querschnitt her. „Trotz umfangreicher Simulationen und Analysen unserer Partner mussten wir während der Prozessphase das Design und andere Anforderungen ändern. Solche Dinge passieren hin und wieder, wenn man neue Wege geht, also waren wir darauf vorbereitet“, sagt Schmitt. Auch andere Modulkomponenten, etwa zur Lichtumlenkung oder Streulichtunterdrückung, mussten die Forscher mit höchster Präzision aus weltraumtauglichen Materialien wie Aluminium, Edelstahl, Nickel und Invar herstellen, deren Eigenschaften stimmen mussten exakt vermessen und dokumentiert. Ein weiterer kniffliger Punkt war die Montage des Doppelschlitzmoduls. „Die Toleranzen waren kleiner als fünf Mikrometer, also weniger als ein Zehntel der Größe einer Haarsträhne“, sagt Schmitt. All dies wurde mit Bravour abgeschlossen.
Leicht und präzise: Metallspiegel vom Fraunhofer IOF
Auch das Fraunhofer IOF brachte seine Expertise in den Satelliten ein: Das Institut ist einer der besten Metalloptik-Entwickler weltweit und hat alle Metallspiegel produziert, die in der EnMAP-Optik zum Einsatz kommen. „Für Weltraumanwendungen müssen die Spiegel nicht nur eine extrem glatte Oberfläche haben und besonders präzise geformt sein, sondern auch möglichst wenig wiegen“, sagt Dr. Stefan Risse, Projektleiter am Fraunhofer IOF in Jena . „Hier konnten wir die vorgegebenen Anforderungen sogar noch übertreffen: Statt der geforderten Rauheit von 1 Nanometer rms (root mean square) weisen unsere Metallspiegel bei Weißlichtmessung (50-fache Vergrößerung) eine Rauheit von weniger als 0,5 Nanometer rms auf. Außerdem konnten wir die zulässige Formabweichung nicht nur auf 18 Nanometer rms, sondern teilweise sogar auf unter 10 Nanometer rms halten.“ Dazu verwendeten die Forscher Aluminium, auf das sie eine röntgenamorphe Metalllegierung aus Nickel und Phosphor aufbrachten. Diese Dickschicht hat in ihrer Struktur ähnliche Eigenschaften wie Glas und eignet sich hervorragend für die Bearbeitung mit Diamantwerkzeugen und das Polieren auf ein hohes Finish. In Bezug auf die endgültige Form der Metallspiegel unterzog das Forscherteam die Spiegel Korrekturverfahren wie Ion Beam Figuring (IBF).
Neben der geringen Oberflächenrauigkeit war eine leichte Bauweise ein weiteres wichtiges Qualitätsmerkmal der Spiegel. Auch hier lieferte die Technik des Fraunhofer IOF ab. „Mit einem unserer patentierten Verfahren konnten wir die Masse um mehr als 40 % reduzieren – durch den Einsatz additiver Verfahren sind jetzt Einsparungen von bis zu 70 % möglich“, sagt Risse. Das gelang dem Team, indem es eine Struktur für die Spiegel schuf, die einem Kapitell in einer Kirche ähnelte: Rechtwinklig aufeinander treffende Querbohrungen verbinden Vorder- und Rückseite des Spiegels, die entstehende Säulenstruktur trägt die Flächen. Vorder- und Rückseite des Spiegels sind geschlossen, was dem Element eine hohe mechanische Steifigkeit verleiht. Insgesamt fertigte das Team elf ultrapräzise Metallspiegel sowie hochreflektierende Silber- und Goldschichten für EnMAP und beschichtete auch die Glasoptik, indem es eine dünne Schicht mit geringer Brechkraft auf das Glas aufbrachte.