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SPIE Pho­to­nics West: Fraun­ho­fer IOF prä­sen­tiert hoch­prä­zi­sen Dop­pel­spalt für Weltraum-Spektrometer

Sili­zium-Dop­pel­spalt soll 2025 mit ESA-Mis­sion FLEX ins Welt­all starten

Die ESA will 2025 ihre Mis­sion FLEX star­ten. Ziel soll es sein, Daten über die Vege­ta­tion der Erde vom Welt­raum aus zu erfas­sen. Für das Spek­tro­me­ter an Bord des Satel­li­ten haben For­schende des Fraun­ho­fer-Insti­tu­tes für Ange­wandte Optik und Fein­me­cha­nik IOF aus Jena eine Dop­pel­spalt-Bau­gruppe mit außer­ge­wöhn­li­cher Genau­ig­keit sowie zwei hoch­prä­zise Spie­gel ent­wi­ckelt und gefer­tigt. Der Dop­pel­spalt wird vom 30. Januar bis 01. Februar auf der SPIE Pho­to­nics West in San Fran­cisco prä­sen­tiert werden.

Wie­viel Licht geben Pflan­zen ab und was lässt sich anhand die­ser Licht­emis­sion über die Gesund­heit der Pflan­zen aus­sa­gen? Die­ser Frage will sich die ESA-Mis­sion »FLuo­re­s­cence Explo­rer-Mis­sion« (FLEX) ab 2025 wid­men. Herz­stück des Satel­li­ten wird dabei das »Fluo­re­s­cence Ima­ging Spec­tro­me­ter« (kurz: FLORIS) sein.

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.«

Bau­teile für Welt­raum-Spek­tro­me­ter mit außer­ge­wöhn­li­cher Genauigkeit

Die Beson­der­heit der Dop­pel­spalt-Bau­gruppe liegt in der außer­ge­wöhn­li­chen Genau­ig­keit: Jeder Schlitz der Dop­pel­spalt-Bau­gruppe muss mit einer exak­ten Breite von 85 (+/-1) Mikro­me­tern gefer­tigt wer­den, und das über eine Länge von 44,15 Mil­li­me­tern. »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 Nano­me­tern 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.«

Spe­zi­elle 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.«

Robuste 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 Mikro­me­tern sowie einer Spalt-Pla­na­ri­tät von weni­ger als 10 Mikro­me­tern. 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.

Dop­pel­spalt erlaubt Spek­tro­me­ter 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.

FLEX-Mis­sion soll Vege­ta­ti­ons­da­ten der Erde überwachen

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.

Dop­pel­spalt auf der SPIE Pho­to­nics West

Der hoch­prä­zise Dop­pel­spalt wird vom 30. Januar bis 01. Februar 2024 auf der SPIE Pho­to­nics West in San Fran­cisco prä­sen­tiert wer­den.  Die Pho­to­nics West ist eine der inter­na­tio­nal größ­ten Fach­mes­sen in den Berei­chen Optik und Pho­to­nik. Sie wird jähr­lich durch die »Society of Photo-Opti­cal Instru­men­ta­tion Engi­neers« (SPIE) veranstaltet.

Der Stand des Fraun­ho­fer IOF befin­det sich auf dem Ger­man Pavi­lion, Stand 4205–32.

Der Dop­pel­spalt ist am Fraun­ho­fer IOF im Auf­trag der OHB SE ent­wi­ckelt und gefer­tigt wor­den. Wei­tere Part­ner, die an der Rea­li­sie­rung des Spek­tro­me­ters FLORIS betei­ligt sind, sind Leo­nardo S.p.A. sowie die Tha­les Ale­nia Space. Gemein­sa­mer Auf­trag­ge­ber ist die Euro­päi­sche Welt­raum­be­hörde (ESA).

Die voll­stän­dige Pres­se­mel­dung fin­den Sie im Online-Pres­se­por­tal des Fraun­ho­fer IOF:
https://s.fhg.de/FLEX-SPIE-PW-24-dt