Vegetation überwachen Hochpräziser Doppelspalt für Weltraum-Spektrometer

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Im Jahr 2025 will die ESA ihre Mission FLEX starten. Ziel ist es, Daten über die Vegetation der Erde aus dem All zu sammeln. Für das Spektrometer an Bord des Satelliten haben Forscher eine extrem genaue Doppelspalt-Baugruppe sowie zwei hochpräzise Spiegel entwickelt und gefertigt.

Wie viel Licht geben Pflanzen ab und was lässt sich daraus über ihren Gesundheitszustand ableiten? Dieser Frage will sich die ESA-Mission Fluorescence Explorer-Mission" (FLEX) ab dem Jahr 2025 widmen. Mit dem Projekt will die Europäische Weltraumorganisation ESA neue Erkenntnisse über die Vegetation auf der Erde gewinnen. Wesentlicher Bestandteil des Projekts ist ein Spektrometer, dessen Spiegel und Doppelspalt von Forschern des Fraunhofer IOF entwickelt wurden.

Im Gegensatz zu vielen anderen Spektrometern arbeitet das Fluorescence Imaging Spectrometer (FLORIS) nicht mit einem, sondern mit zwei Lichtkanälen. „Das heißt, es sind zwei optische Spalte nötig, durch die das Licht in das Gerät eintritt“, erklärt Falk Kemper. Kemper ist Wissenschaftler am Fraunhofer IOF und leitet dort das Projekt FLEX. „Um diese beiden Kanäle zu erzeugen, braucht man eine hochpräzise Anordnung aus zwei Spalten, einen sogenannten Doppelspalt. Genau das haben wir in Jena entwickelt und gefertigt, zusammen mit hochpräzisen Spiegeln für das Fluoreszenz-Imaging-Spektrometer.“

Hochpräzise Spiegel für das Spektrometer

Anders als viele andere Spektrometer arbeitet FLORIS aber nicht mit einem einzelnen Lichtkanal, sondern mit zweien. „Das bedeutet, dass es zwei optische Spalte braucht, durch die das Licht in das Instrument einfallen kann“, erklärt Falk Kemper. Kemper ist Forscher am Fraunhofer IOF und leitet das FLEX-Projekt am Institut. „Um diese beiden Kanäle zu erzeugen, braucht es eine hochpräzise Anordnung aus zwei Spalten, einen sogenannten Doppelspalt. Genau den haben wir in Jena, zusammen mit hochpräzisen Spiegeln für das Spektrometer, entwickelt und gefertigt.“

Die Besonderheit der Doppelspalt-Baugruppe liegt in der außergewöhnlichen Genauigkeit: Jeder Schlitz der Doppelspalt-Baugruppe muss mit einer exakten Breite von 85 (±1) µm gefertigt werden, und das über eine Länge von 44,15 mm. „Zu breite oder zu schmale Schlitze hätten zu viel oder zu wenig Licht auf dem Detektor geführt und damit die Auswertung des für die Mission interessanten Lichtanteils gegebenenfalls unmöglich gemacht“, erklärt Kemper.

Auch für die Spiegel, die in Jena gefertigt wurden und im Inneren des Spektrometers das Licht auf den Detektor leiten sollen, galten besondere Anforderungen: Diese mussten eine Rauheitsanforderung von 0,3 nm_rms (Root Mean Square) aufweisen. „Das entspricht in etwa dem Abstand von ein bis zwei Atomen“, veranschaulicht Kemper. „Die Anforderungen waren unglaublich hoch und bewegten sich an der Grenze des technisch Machbaren.“

Lithografische Strukturierung für Doppelspalt auf Silizium-Basis

Hergestellt wurde der Doppelspalt auf Silizium-Basis. Für die Fertigung wurde am Fraunhofer IOF eine spezielle lithografische Prozesskette entwickelt, bei der lithografische Strukturierungstechniken für das Ätzen von Silizium-Wafern angepasst wurden: »Unsere Strategie sah vor, die Silizium-Wafer zu maskieren, zu entwickeln und zeitgesteuert nass zu ätzen«, erörtert der Projektleiter den Prozess. „Aufgrund der sehr hohen geforderten Genauigkeiten mussten wir zahlreiche Parameteriterationen durchlaufen, um die Fertigungskette so stabil zu bekommen, dass sich Schlitze gemäß den Anforderungen herstellen ließen.“

Abschließend wurden die Schlitze mit einer schwarzen Beschichtung versehen, um das spezifizierte optische Reflexionsvermögen und die optische Dichte zu erreichen. „Die Schwarzbeschichtung der Schlitze führte ebenfalls zu einer Änderung der Schlitzgeometrie und musste entsprechend beim Ätzen der Schlitze mit vorgehalten werden.“

Montage für Einsatz im Weltraum-Spektrometer

Die Vorrichtung ist so konzipiert, dass der Silizium-Doppelspalt in einer mechanischen Halterung montiert wird. Dort mussten die beiden fragilen Schlitze hochparallel zu den Blenden in der Halterung montiert werden, das heißt konkret: mit einer Genauigkeit von weniger als 5 µm sowie einer Spalt-Planarität von weniger als 10 µm. Zusätzlich mussten die beiden Schlitze so verbaut werden, dass sie sich nicht deformieren und brechen – auch dann nicht, wenn beim Start des FLEX-Satelliten starke Vibrationen, Temperaturschwankungen und Beschleunigungen auftreten.

Um die nötige Robustheit der Baugruppe zu gewährleisten, entwickelten die Forschenden des Fraunhofer IOF daher ein spezielles Montagekonzept, d. h. eine Strategie, um verschiedene Komponenten zu einer Baugruppe zusammenzufügen. „Dies ließ sich über eine Kombination aus Formschluss, Klemmung und Klebung realisieren“, berichtet Kemper.

Feinere und zugleich breitere Lichtanalyse

Die spezielle Bauweise des FLORIS-Spektrometers mit dem Doppelspalt bietet für die Ziele der FLEX-Mission einen entscheidenden Vorteil: „Durch den Doppelspalt können im Spektrometer zwei Kanäle betrieben werden: einer für High- und einer für Low-Resolution“, fasst Falk Kemper zusammen. Der High-Resolution-Kanal kann dabei kleinste Unterschiede in den Wellenlängen des Lichts erkennen, der Low-Resolution-Kanal hingegen kann breitere Bereiche des Lichtspektrums erfassen. Die Kombination aus beiden Kanälen ermöglicht eine umfassendere Analyse des Lichts und somit eine detaillierte Analyse der Pflanzenvegetation.

Die Fluorescence-Explorer-Mission, deren Start für 2025 geplant ist, soll globale Karten der sogenannten Pflanzenfluoreszenz liefern, also der Emission von Licht durch Pflanzen. Diese Daten sollen Auskunft über die photosynthetische Aktivität sowie die Gesundheit und den Stress der Pflanzen geben.

Derlei Dateien sind nicht nur wichtig für ein besseres Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufs, sondern auch für die Landwirtschaft sowie die zukünftige Ernährungssicherheit vor dem Hintergrund einer wachsenden Weltbevölkerung. Bisher ist es nicht möglich, die photosynthetische Aktivität von Pflanzen vom Weltraum aus zu messen. (heh)

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