Fraunhofer IOF in Berlin auf ILA 2016 Treibhausgase aus dem Weltraum messen

Direkt gebondetes Kieselglas-GRISM (Prism + Grating) mit innenliegendem Gitter.
Direkt gebondetes Kieselglas-GRISM (Prism + Grating) mit innenliegendem Gitter.

Weltraumbehörden untersuchen Treibhausgase in der Luft via Prismen bzw. Gitter und mittels Satelliten. Eine neue Technologie verbindet Gitter und Prismen weltraumtauglich miteinander. Somit wird eine neue Qualitätsstufe für die spektrale Auflösung erreicht.

Untersuchung des Klimawandels anhand der Klimagase

Der vermehrte CO2-Ausstoß der Industrie, sowie die Landwirtschaft tragen zum Klimawandel bei. Neben CO2 werden klimaschädliche Gase, wie Methan (CH4) und Lachgas (N2O) z. B. bei der Tierhaltung und Düngung in großen Mengen freigesetzt. Die Konzentration dieser Klimagase in der Luft untersuchen Weltraumbehörden mit Spektrometern, die sie per Satellit in den Weltraum bringen. Die Spektrometer analysieren das von der Erde abgestrahlte Licht, indem sie sichtbares Licht in einzelne Spektralfarben zerlegen. Für eine möglichst hohe Auflösung, kombiniert man Gitter und Prismen im Messaufbau. Prismen lenken blaues Licht am stärksten ab, Gitter beugen bevorzugt rotes Licht.

Bisher ist es kaum möglich Gitter und Prismen weltraumtauglich miteinander zu verbinden, da herkömmlicher Klebstoff viele Nachteile bei der Verwendung hat. Herkömmliche Klebstoffe absorbieren Licht; sie verfälschen somit Messergebnisse. Außerdem ist normaler Klebstoff strahlungsempfindlich und altert schnell.

Prismen und Gitter für das Weltall

Forscher am Fraunhoferinstitut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) entwickelten gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) die Methode des »hydrophilen Bonden« für Kieselglas. Hydrophiles Bonden trotzt den Bedingungen im Weltall und verfälscht das Messergebnis nicht. 

»Wir verbinden die optischen Elemente auf atomarer Skala miteinander, genauer gesagt über Sauerstoffbrücken«, erläutert Dr. Gerhard Kalkowski, Wissenschaftler am IOF. »Somit liefern wir den Schlüssel, hochauflösende Systeme aus Prisma-Gitter-Strukturen künftig auch im Weltraum einsetzen zu können.«

Die Technologie der Sauerstoffbrücken ist bei Silizium-Wafer bereits unter dem Begriff des »hydrophilen Bonden« bekannt. Sauerstoff- und Wasserstoffatome werden an die Waferoberfläche gebunden. Werden nun zwei hydrophil-gebondete Oberflächen bei erhöhter Temperatur im Vakuum zusammengebracht, bilden Sauerstoffatome eine kovalente Bindung zwischen beiden Oberflächen aus. Die Technologie übertrugen die Forscher bereits erfolgreich auf transparentes Kieselglas.

Die Vorteile sind:

  • Die Sauerstoffbrücken verbinden Gitter und Prisma fest miteinander, die Strahlung im Weltraum schadet nicht.
  • Es gibt keine Zwischenschicht im Vergleich zu herkömmlichem Klebstoff, deshalb kann auch kein Licht absorbiert werden, das die Messungen verfälscht.

Gitter und Prismen müssen exakt zueinander positioniert werden. Die Wissenschaftler erzeugen eine mechanische Kante am Gitter, die präzise dem Gitterverlauf entspricht.

»Die Ausrichtungen stimmen wie gefordert bis auf etwa eine Bogenminute überein – eine Bogenminute ist der 60. Teil eines Winkelgrads«, sagt Kalkowski.

Fraunhofer IOF auf ILA in Berlin

Erste Prototypen bestanden Tests der ESA. Fraunhofer IOF zeigt die Technologie auf der Berlin Air Show (ILA) vom 1. bis 4. Juni 2016 in Berlin (Halle 4, Stand 202).