Der Arctic Weather Satellite (AWS) der europäischen Weltraumorganisation ESA wurde am 16. August 2024 auf seine Reise in eine polare Umlaufbahn 600 km über der Erde geschickt. Mit an Bord: vier rauscharme Messverstärker (LNAs) vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg. Sie sind wesentliche Bestandteile des passiven Mikrowellenradiometers, mit dem der AWS Temperatur und Luftfeuchtigkeit in der Arktis präziser misst als je zuvor. Dies soll zu einem besseren Verständnis sowohl der Arktis als auch des darin besonders sichtbaren Klimawandels beitragen.
Bei erfolgreicher Mission will die ESA eine globale Konstellation identischer Kleinsatelliten ins All schicken, um präzisere und kurzfristigere Wettervorhersagen (Nowcasting) und Klimabeobachtungen im globalen Maßstab zu ermöglichen.
Die Aufgabe von LNAs in technischen Systemen besteht darin, die Qualität eingehender Signale zu verbessern. Wie der Name schon sagt, verstärken sie schwache Signale und verursachen dabei möglichst wenig Hintergrundrauschen, sodass Signale leichter erkannt und analysiert werden können. Auf diese Weise erhöhen LNAs die Empfindlichkeit von Systemen.
»Je leistungsfähiger ein rauscharmer Verstärker ist, desto genauer und zuverlässiger kann ein System Daten erfassen. Sie spielen bei der satellitengestützten Erdbeobachtung eine große Rolle, da die Mikrowellenstrahlung, die die Satellitenradiometer erreicht, sehr schwach ist«, erklärt Dr. Fabian Thome, stellvertretender Geschäftsfeldleiter Hochfrequenzelektronik am Fraunhofer IAF.
„Es ist eine tolle Bestätigung und Motivation, dass wir mit unseren LNAs zu einer besseren Erforschung der Arktis und ihrer Auswirkungen auf das globale Klima beitragen.“
Beitragende LNAs für die Frequenzbereiche um 54, 89 und 170 GHz zum AWS-Radiometer
Das AWS-Mikrowellenradiometer besteht aus einer rotierenden Antenne, die die natürliche Mikrowellenstrahlung der Erdoberfläche aufnimmt und an vier Feedhorns und vier Empfänger überträgt.
Antenne und Empfänger gehören jeweils zu einer von vier Gruppen mit insgesamt 19 Kanälen, die zusammen ein Frequenzspektrum von 50 bis 325 GHz abdecken: Acht Kanäle mit Frequenzen von 50 bis 58 GHz messen die Temperatur, ein Kanal bei 89 GHz erkennt Wolken, ein weiterer bei 165,5 GHz sowohl Wolken als auch Luftfeuchtigkeit, fünf Kanäle zwischen 176 und 182 GHz sind nur für die Luftfeuchtigkeit zuständig und schließlich messen vier Kanäle bei 325 GHz plus/minus 1,2 bis 6,6 GHz die Luftfeuchtigkeit und erkennen ebenfalls Wolken.
Mit dieser technischen Ausstattung ist das Radiometer in der Lage, hochauflösende vertikale Feuchte- und Temperaturprofile unter allen Wetterbedingungen zu erstellen.
Für drei der vier Kanalgruppen hat das Fraunhofer IAF insgesamt vier LNAs vorgesehen: ein Modul für den Frequenzbereich um 54 GHz, zwei identische Module für 89 GHz, die für eine höhere Gesamtverstärkung in Reihe geschaltet wurden, sowie ein Modul für den Bereich um 170 GHz.
Die Forscher haben bewährte Technologien auf Basis des Verbindungshalbleiters Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) weiterentwickelt und metamorphe Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (mHEMTs) für monolithische integrierte Mikrowellenschaltkreise (MMICs) realisiert.
InGaAs mHEMT-Technologie für MMICs
„Das Fraunhofer IAF ist weltweit führend in der Entwicklung von Transistoren und Schaltungen für satellitengestützte Radiometriesysteme. Unsere Module definieren in vielen Leistungsbereichen den Stand der Technik“, betont Thome.
Dies zeigt sich auch exemplarisch bei den AWS-Radiometermodulen: In Tests erreichte der LNA für den Frequenzbereich um 54 GHz eine Rauschzahl von 1,0 bis 1,2 dB bei einer Verstärkung von 31 bis 28 dB und verbesserte damit den Stand der Technik deutlich. Mit Rauschzahlen von 1,9–2,3 dB bei 23–25 dB Verstärkung (89 GHz) und 3,3–4,1 dB bei 25–30 dB Verstärkung liegen die anderen AWS-LNAs genau im Bereich der aktueller Stand der Technik.
Bei der Entwicklung der Module arbeiteten die Forscher eng mit dem direkten Kunden ACC Omnisys (AAC Clyde Space) aus Schweden zusammen, der das Radiometersystem für OHB Sweden und die ESA gebaut hat.
Bei der Entwicklung und Produktion der Module konnte das Fraunhofer IAF seine Forschungsinfrastruktur sowie die Expertise seiner Mitarbeiter entlang der gesamten Wertschöpfungskette nutzen. Teams aus den Bereichen Mikroelektronik, Epitaxie, Technologie und Feinmechanik arbeiteten eng zusammen und führten alle wesentlichen Schritte vom Schaltungsentwurf über Materialwachstum, Verarbeitung und Messung sowie Prozesstechnik, Trennung, Aufbautechnik bis hin zum Modulbau und der Integration bis hin zur einsatzbereiten LNA-Module durch.
Eine erste Qualifizierung der Module für den Einsatz im Weltraum fand ebenfalls am Institut statt, bevor die Hardware zur Receiver-Integration übergeben wurde.
AWS und EPS-Sterna: Neuer Raum für präzisere Wettervorhersagen, Nowcasting und Klimaüberwachung
Ziel der AWS-Mission ist es, erstmals präzisere Wetterdaten in der Arktis zu sammeln, die kurzfristige Prognosen für die Polarregion ermöglichen – darunter auch das sogenannte Nowcasting, also Vorhersagen für die nächsten Stunden.
Da die Arktis einen starken Einfluss auf das globale Wetter hat, ermöglichen die Daten auch bessere globale Wettervorhersagen. Das gilt auch für das Klima: In der Arktis schreitet der Klimawandel schneller voran als in anderen Regionen der Welt. Gleichzeitig wirken sich Veränderungen in der Arktis aufgrund von Rückkopplungseffekten auf das globale Klima aus.
Im Erfolgsfall soll dem AWS eine ganze Konstellation identischer Kleinsatelliten folgen: das EUMETSAT Polar System – Sterna (EPS-Sterna). Geplant sind sechs Satelliten, die gleichzeitig in drei verschiedenen Umlaufbahnen stationiert sind und so langfristige Wetterdaten aus den Polarregionen sammeln.
Der Satellitensatz wird drei Mal erneuert, so dass während der Missionszeit insgesamt 18 Satelliten zum Einsatz kommen. Zwei Satelliten sind als Ersatz vorgesehen. Der Start des ersten von sechs EPS-Sterna-Satelliten ist für 2029 geplant.
Mit diesem Projekt verfolgt die ESA erstmals den New-Space-Ansatz. New Space zeichnet sich dadurch aus, dass Projekte in kürzester Zeit mit deutlich weniger Ressourcen durchgeführt werden.
Im Falle von AWS, dessen Gesamtmasse lediglich 150 kg beträgt, vergingen vom Projektbeginn bis zum Raketenstart lediglich drei Jahre, wobei im Vergleich zu vorherigen Projekten nur ein Bruchteil der Kosten anfiel. Weitere Vorteile von New Space sind die höhere Belastbarkeit der Konstellationen – der Ausfall eines Satelliten im Verbund kann schnell und günstig kompensiert oder ersetzt werden – und die Flexibilität der Missionen, die bei Bedarf verlängert oder verkürzt werden können, ohne große Ressourcen zu verbrauchen.
Vom 24. bis 26. September 2024 präsentiert das Fraunhofer IAF auf der diesjährigen European Microwave Week (Exponate der im AWS-Radiometer verbauten LNA-Module sowie weitere Hochfrequenzelektronik aus den Anwendungsbereichen Satellitenkommunikation, Mobilfunk oder Tieftemperaturmesstechnik.EuMW) in Paris (Stand: 202K).
Zur Verfügung gestellt vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik