idw – Informationsdienst Wissenschaft

Nachrichten, Termine, Experten

Grafik: idw-Logo
Science Video Project
idw-Abo

idw-News App:

AppStore

Google Play Store



Instance:
Share on: 
04/28/2017 14:21

Robuste Lasertechnik für Umwelt-Satelliten

Petra Nolis M.A. Marketing & Kommunikation
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

    2021 soll der deutsch-französische Satellit MERLIN zur Erforschung von Methan-Emissionen auf der Erde gestartet werden. Mit an Bord ist ein Lasersystem, das auch unter extremen Bedingungen präzise arbeitet. Die Technologie dafür wird am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen entwickelt und auf der LASER World of Photonics 2017 vorgestellt.

    Methan wird als Klimagas noch nicht so viel diskutiert wie Kohlendioxid, bei der Erderwärmung ist es aber pro Molekül 25-mal wirksamer. Kohlendioxid kommt jedoch in der Atmosphäre etwa 200-mal häufiger vor und ist damit absolut wirksamer. Seit 2007 steigt die Methankonzentration in der Atmosphäre schnell an, ohne dass die Ursachen für das Phänomen wirklich klar wären.

    Vor dieser Kulisse wurde 2010 das deutsch-französische MERLIN-Projekt beschlossen. Der Kleinsatellit MERLIN (Methane Remote Sensing LIDAR-Mission) soll 2021 starten und das Methan in der Erdatmosphäre kartieren. Die Wissenschaftler wollen so verstehen, in welchen Regionen Methan in die Atmosphäre eingebracht wird und wo es abgebaut wird.

    Kernstück des Satelliten ist ein Licht-Radar (LIDAR), das Lichtpulse in die Atmosphäre schickt und aus dem vom Erdboden zurückgestreuten Licht die Methankonzentration bestimmt. Bislang wurde für Methanmessungen mittels optischen Spektrometern die Sonnenstrahlung benötigt. Mit dem MERLIN-LIDAR können die Werte aber auch auf der Nachtseite der Erde gemessen werden. Außerdem sind nun auch Messungen in kleinräumigen Wolkenlücken möglich.

    Wie entwickelt man Laser für den Weltraum?

    Die Anforderungen an den Laser für die MERLIN-Mission sind extrem: Das System muss Schocks sowie Vibrationen bis 25 grms genauso aushalten wie thermische Wechsellasten von -30 °C bis +50 °C. Außerdem sollen organische Materialien wie Klebstoffe möglichst vollständig vermieden werden, um nicht die Umgebungsluft und damit die hochreinen Spiegelflächen zu verunreinigen. Und alles muss nach dem Start für die Missionsdauer von 3 Jahren störungsfrei funktionieren.

    Für Partner wie DLR, Airbus Defence and Space, TESAT Spacecom und die ESA entwickelt das Fraunhofer ILT seit Jahren Technologien für solche weltraumtauglichen Laser. Einzelne Systeme sind schon geflogen, aber jetzt haben die Experten mit FULAS (Future Laser System, gefördert durch die Europäische Weltraumorganisation ESA, FKZ C0O-8/09/FF), eine neue Technologieplattform für Lasersysteme geschaffen. Diese lässt sich auf unterschiedliche Laserstrahleigenschaften und Missionen anpassen. Die FULAS-High-Power-Sektion wurde 2016 fertiggestellt. Das System hat erste Thermalvakuumtests unter realistischen MERLIN-Bedingungen bereits bestanden.

    Für die FULAS-Plattform entwickeln die Experten nicht nur raumfahrttaugliche Komponenten, sondern auch eine ganz eigene Aufbautechnologie: Bei den opto-mechanischen Komponenten werden alle wesentlichen Justierschritte mit manuell geführten Robotern mit Hilfe des sogenannten Pick & Align-Verfahrens durchgeführt. Damit ist das Verfahren grundsätzlich automatisierbar und somit auch für andere Branchen interessant.

    MERLIN ist auf dem Weg zum Take-off

    Auch der LIDAR-Laser für MERLIN baut auf der FULAS Plattform auf. Auf und unter einer speziellen optischen Bank sind Laser-Oszillator, -Verstärker und Frequenzkonverter befestigt. Mit dem Pick & Align-Verfahren sind die optischen Komponenten justiert und verlötet.

    Die Parameter im Detail sind eine Herausforderung: Für den LIDAR-Betrieb soll das Lasersystem 9 mJ-Doppelpulse bei zwei Wellenlängen um 1645 nm im Einzelfrequenz-Betrieb liefern, wobei einer der Pulse spektral stets exakt auf eine charakteristische Methanabsorptionslinie eingestellt wird. Genutzt wird dafür ein maßgeschneiderter Aufbau aus einem Oszillator mit aktiver Längenregelung sowie dem mehrfach preisgekrönten InnoSlab-Verstärker bei einer Wellenlänge von 1064 nm und einem längengeregelten Frequenzkonverter (OPO) mit zwei KTP-Kristallen.

    Als MERLIN-Vorläufer ist das LIDAR-System der CHARM-F Mission schon 2015 mit dem Forschungsflugzeug HALO geflogen. Damals hatte noch das DLR-Institut für Physik der Atmosphäre die Frequenzkonvertierung für das LIDAR integriert. Für MERLIN wurden ausgehend von der Technologieplattform FULAS Halterungs- und Justagekonzepte für einen optimierten OPO entwickelt und bereits erfolgreich umgesetzt. Die Robustheit des kompletten OPO-Aufbaus konnte in MERLIN-Temperaturtests nachgewiesen werden.

    Nachdem im vergangenen Jahr der PDR-Status (Preliminary Design Review) erreicht wurde, wird aktuell der CDR-Status (Critical Design Status) erarbeitet und der Bau eines EQM (Engineering Qualification Model) vorbereitet. Dieses Modell soll später umfangreichen Tests unterzogen werden und somit die Tauglichkeit für den Einsatz im Weltraum nachweisen. Mit den daraus gewonnenen Erkenntnissen wird dann das endgültige Flugmodell (FM) gebaut. Die grundsätzlichen Laserparameter wurden jedoch bereits an einem Labormodell nachgewiesen, das auf Standardkomponenten basiert.

    Der Betrieb des MERLIN-Systems im All ist in etwa 3 Jahren geplant, die Fertigungstechnologien und die Testprozeduren sind schon jetzt etabliert und können für weitere flugtaugliche Systeme genutzt werden. Und wie so oft in der Raumfahrt ergeben sich interessante Synergien für andere Anwendungen: Eine automatisierte Justierung optischer Komponenten zum Beispiel ist für die Fertigung von Laserquellen an der Tagesordnung.

    Das MERLIN-LIDAR-Modell wird auf der LASER World of Photonics 2017 in München auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand A2.431 gezeigt.

    Das MERLIN-Projekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi gefördert (Förderkennzeichen 50 EP 1601), Projektträger ist das Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft-und Raumfahrt DLR.

    Ansprechpartner

    Dr. rer. nat. Jens Löhring
    Leiter der Gruppe Packaging
    Telefon +49 241 8906-673
    jens.loehring@ilt.fraunhofer.de

    Dipl.-Ing. Hans-Dieter Hoffmann
    Leiter des Kompetenzfeldes Laser und Laseroptik
    Telefon +49 241 8906-206
    hansdieter.hoffmann@ilt.fraunhofer.de


    More information:

    http://www.ilt.fraunhofer.de


    Images

    Künstlerische Darstellung des MERLIN-Instruments auf Basis der Myriade- Satellitenplattform.
    Künstlerische Darstellung des MERLIN-Instruments auf Basis der Myriade- Satellitenplattform.
    CNES/illustration David DUCROS, 2016.
    None

    Das LIDAR-System für die MERLIN-Mission enthält alle Komponenten vom Pumplaser bis zur Frequenzkonversion in einem besonders kompakten und weltraumtauglichen Aufbau.
    Das LIDAR-System für die MERLIN-Mission enthält alle Komponenten vom Pumplaser bis zur Frequenzkonve ...
    Fraunhofer ILT, Aachen.
    None


    Attachment
    attachment icon Mit neuen Löttechniken konstruiert: Ein optisch parametrischer Oszillator (OPO) für das MERLIN-LIDARSystem.

    Criteria of this press release:
    Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars
    Environment / ecology, Physics / astronomy
    transregional, national
    Research projects, Transfer of Science or Research
    German


     

    Künstlerische Darstellung des MERLIN-Instruments auf Basis der Myriade- Satellitenplattform.


    For download

    x

    Das LIDAR-System für die MERLIN-Mission enthält alle Komponenten vom Pumplaser bis zur Frequenzkonversion in einem besonders kompakten und weltraumtauglichen Aufbau.


    For download

    x

    Help

    Search / advanced search of the idw archives
    Combination of search terms

    You can combine search terms with and, or and/or not, e.g. Philo not logy.

    Brackets

    You can use brackets to separate combinations from each other, e.g. (Philo not logy) or (Psycho and logy).

    Phrases

    Coherent groups of words will be located as complete phrases if you put them into quotation marks, e.g. “Federal Republic of Germany”.

    Selection criteria

    You can also use the advanced search without entering search terms. It will then follow the criteria you have selected (e.g. country or subject area).

    If you have not selected any criteria in a given category, the entire category will be searched (e.g. all subject areas or all countries).