Gab es Leben auf dem Mars? Diese Frage will die Europäische Weltraumorganisation ESA mit ihrer ExoMars-Mission beantworten. Die Mission, an der Russland beteiligt ist, soll diesen Herbst starten, obwohl die jüngsten politischen Entwicklungen die Frage aufgeworfen haben, ob dies möglich sein wird. Teil der Mission ist ein spannendes Analysesystem, das für den Einsatz im Weltraum konzipiert und im Rahmen der Forschungsarbeiten am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF entstanden ist. Die Jenaer Forscher entwickelten das miniaturisierte Lasermodul für das mobile Labor des ExoMars Rovers. Dieses mit einem diodengepumpten Festkörperlaser ausgestattete Raman-Spektrometer in der Größe einer 50-Cent-Münze stellt das Institut vom 26. bis 29. April auf der Laser World of Photonics in München vor.
Der Rover „Rosalind Franklin“ wird die mineralogischen Verbindungen auf der rund 56 Millionen Kilometer von der Erde entfernten Marsoberfläche analysieren, um nach Spuren außerirdischen Lebens auf dem Planeten zu suchen. Um dies zu erreichen, verfügt das Fahrzeug über einen Bordbohrer und eine Reihe wissenschaftlicher Instrumente. Eines dieser Instrumente ist ein Raman-Spektrometer genanntes Gerät. Damit lässt sich die Lichtstreuung von Molekülen beispielsweise in der Atmosphäre oder von Festkörpern wie Gesteinsproben analysieren. Herzstück der stark miniaturisierten und weltraumtauglichen Laserquelle des Spektrometers ist ein diodengepumpter Festkörperlaser mit Frequenzverdopplung, aufgebaut am Fraunhofer IOF in Jena.
Das Raman-Spektrometer funktioniert wie folgt: Es wird Laserlicht emittiert, das mit dem zu analysierenden Material wechselwirkt. Dies verursacht den sogenannten „Raman-Effekt“. Die Energie des Lichts gelangt zum Material und zurück. Dadurch ändert sich die Lichtenergie, wodurch sich seine Wellenlänge ändert. Das Licht wird dann zurück zum Spektrometer gestreut, wo die Änderungen der Wellenlänge analysiert werden. Aus den Unterschieden zwischen der neuen Frequenz und der ursprünglichen Frequenz des ausgestrahlten Lichts lassen sich Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Materials ziehen.
Winzige Bauteile, aber unglaublich robust
Der in Jena konstruierte grüne Laser arbeitet bei einer Wellenlänge von 532 Nanometern und mehr als 100 Megawatt. „Insgesamt haben unsere Forscher sieben Jahre Entwicklungszeit investiert, um das Modul an die spezifischen Herausforderungen des Weltraumbetriebs anzupassen“, erklärt Dr. Erik Beckert, Projektleiter des ExoMars-Lasers am Fraunhofer IOF. Eine der gemeinsamen Herausforderungen für Projekte im Weltraum ist die Notwendigkeit, dass die Komponenten besonders klein und leicht sein müssen. So bringt der Laser samt Gehäuse nur 50 Gramm Gewicht auf den Rover, so viel wie eine halbe Tafel Schokolade.
Aber trotz Miniaturisierung muss es die gleiche Leistung und Robustheit bieten. Die empfindlichen optischen Komponenten müssen zudem Temperaturschwankungen zwischen -130 und +24 Grad und der starken Strahlenbelastung im Weltraum sowie den starken Erschütterungen beim Start und Landen des Rovers standhalten.
Herkömmliche Methoden zur Montage optischer Komponenten sind für solche extremen Bedingungen nicht geeignet. „Deshalb haben wir alle Komponenten des empfindlichen Laserresonators und der Sekundäroptik mittels laserbasierter Löttechnik miteinander verbunden“, erklärt Beckert. „Das sorgt für eine besonders hohe Stabilität gegenüber thermischen und mechanischen Einwirkungen sowie intensiver Strahlenbelastung.“ Gemeinsam mit dem spanischen Laserhersteller Monocrom hat das Jenaer Institut im Laufe der Jahre insgesamt fünf baugleiche Laser für den Einsatz im Raman-Spektrometer geschaffen. Nun hoffen die Forscher, dass ihre Technik bald mit der Mars-Mission ins All starten kann.