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Das Fraunhofer IAF und das Max-Planck-Institut für Radioastronomie haben 145 hochperformante rauscharme Verstärker für den ALMA-Radioteleskopverbund in der chilenischen Atacama-Wüste bereitgestellt. Die Verstärker basieren auf InGaAs-mHEMT-MMICs und bilden essenzielle Bauteile der Hochfrequenzempfänger für den Wellenlängenbereich zwischen 2,6 und 4,5 mm (Frequenzbereich: 67–116 GHz, sog. Band 2). Mit ihnen soll ALMA präzisere Messungen von Objekten und Galaxien im Universum durchführen, um neue Informationen über die Entstehung von Sternen, Planeten und Leben zu gewinnen.
Das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) in den chilenischen Anden gehört zu den leistungsfähigsten Radioteleskopanlagen der Welt. Forschende untersuchen damit dunkle und weitentfernte Bereiche im Universum, um besser zu verstehen, wie Sterne, Planeten, Galaxien oder das Leben selbst entsteht. Hierzu misst ALMA die Millimeter- und Submillimeterstrahlung, die beispielsweise von kalten Molekülwolken ausgeht. Molekülwolken sind interstellare Gaswolken mit einer Temperatur von nur wenigen zehn Kelvin, in denen sich bei entsprechender Dichte und Kälte Sterne bilden.
Insgesamt verfügt ALMA über 66 einzelne Parabolantennen mit 12 m oder 7 m Durchmesser, die jeweils Hochfrequenzempfänger für zehn Wellenlängenbereiche (›ALMA-Bänder‹) zwischen 6 und 8,6 mm (35–50 GHz) sowie 0,3 und 0,4 mm (787–950 GHz) im elektromagnetischen Spektrum beinhalten. Für das Band 2, das Wellenlängen von 2,6 bis 4,5 mm (67–116 GHz) abdeckt, haben das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF und das Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) nun 145 rauscharme Verstärker (low-noise amplifiers, LNAs) bereitgestellt. Damit sind alle ALMA-Bänder erstmals vollständig ausgestattet.
Mit dem Band 2 von ALMA wollen Forschende insbesondere das sogenannte kalte interstellare Medium besser untersuchen können – ein Gemisch aus Staub, Gas, Strahlung und Magnetfeldern, aus dem Sterne entstehen. Komplexe organische Moleküle in nahegelegenen Galaxien, die als Vorläufer biologischer Bausteine infrage kommen, sowie planetenbildende Scheiben sollen durch die verbesserten Messfähigkeiten ebenfalls genauer erforscht werden.
Einzigartige mittlere Rauschtemperatur von 22 K ermöglicht hochsensitive Messungen im Band 2 der ALMA-Teleskope
»Die Leistungsfähigkeit von Empfängern hängt maßgeblich von der Performance der ersten Hochfrequenz-Verstärker ab, die in ihnen verbaut sind.«, erklärt Dr. Fabian Thome, Leiter des Teilprojekts am Fraunhofer IAF. »Unsere Technologie zeichnet sich durch eine mittlere Rauschtemperatur von 22 K aus, die weltweit unerreicht ist.« Mit den neuen LNAs lassen sich die Signale bereits im ersten Schritt auf mehr als das 300-fache verstärken. »Dadurch können die ALMA-Empfänger die Millimeter- und Submillimeterstrahlung aus den Tiefen des Universums viel präziser messen und bessere Daten gewinnen. Es macht uns unheimlich stolz, dass wir mit unserer LNA-Technologie dazu beitragen können, die Ursprünge von Sternen und ganzen Galaxien besser zu verstehen.«
»Dies ist eine sehr schöne Anerkennung für unsere tolle Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IAF, die zeigt, dass unsere Verstärker nicht nur ›made in Germany‹, sondern auch weltweit die besten sind«, sagt Prof. Dr. Michael Kramer, geschäftsführender Direktor am MPIfR.
Entwicklung, Fertigung und Qualifizierung von InGaAs-mHEMT-LNAs für ALMA
Den Kern der LNAs für das Band 2 von ALMA bilden monolithisch integrierte Mikrowellenschaltungen (monolithic microwave integrated circuit, MMICs) auf Basis von metamorphen Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (metamorphic high-electron-mobility transistors, mHEMTs), die das Fraunhofer IAF mithilfe des Verbindungshalbleitermaterials Indiumgalliumarsenid (InGaAs) entwickelt hat. Die zugrundeliegende Technologie ermöglicht LNAs mit besonders kleinen Rauschtemperaturen, was die Sensitivität der Empfänger deutlich erhöht. Wie der Name sagt, verbessern rauscharme Verstärker die Qualität eingehender Signale, indem sie das Signal verstärken und dabei möglichst geringe störende Hintergrundgeräusche (Rauschen) verursachen.
Das Fraunhofer IAF und das MPIfR wurden gemeinsam von der Europäischen Südsternwarte (European Southern Observatory, ESO), die ALMA in Kooperation mit weiteren internationalen Einrichtungen betreibt, mit der Bereitstellung der LNAs beauftragt. Das Fraunhofer IAF verantwortete das anwendungsspezifische Design der MMICs, ihre Fertigung, ihre Prüfung bei Raumtemperatur sowie die Auswahl der Chips. Das MPIfR übernahm den komplexen Aufbau der Module sowie deren aufwändige Qualifizierung inklusive kryogener Testmessungen bei 15 K für den Einsatz in den ALMA-Band-2-Empfängern gemäß ESO-Vorgaben.
Standort und Betrieb von ALMA
Um möglichst genaue Messungen durchführen zu können, wurde ALMA auf der Chajnantor-Hochebene in den chilenischen Anden errichtet. In der Atacama-Wüste auf 5000 m Höhe über dem Meeresspiegel herrschen weltweit einzigartige Bedingungen für radioastronomische Messungen. Der hochgelegene und trockene Standort sorgt dafür, dass die Millimeter- und Submillimeterstrahlung aus den entlegenen Regionen des Weltalls deutlich weniger abgeschwächt wird als andernorts, da sie weniger atmosphärischen Wasserdampf durchdringen muss.
Betrieben wird ALMA gemeinsam von der ESO, der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) und den japanischen National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Republik Chile. Getragen wird ALMA von der ESO im Namen ihrer Mitgliedsländer (Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Irland, Italien, die Niederlande, Österreich, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz, die Tschechische Republik, das Gastland Chile), von der NSF in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC), dem taiwanesischen National Science Council (NSC) und NINS in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan sowie dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).
Über das Fraunhofer IAF
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF ist eine der weltweit führenden Forschungseinrichtungen auf den Gebieten der III-V-Halbleiter und des synthetischen Diamanten. Auf Basis dieser Materialien entwickelt das Fraunhofer IAF Bauelemente für zukunftsweisende Technologien, wie elektronische Schaltungen für innovative Kommunikations- und Mobilitätslösungen, Lasersysteme für die spektroskopische Echtzeit-Sensorik, neuartige Hardware-Komponenten für Quantencomputer sowie Quantensensoren für industrielle Anwendungen. Mit seinen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten deckt das Freiburger Forschungsinstitut die gesamte Wertschöpfungskette ab – angefangen bei der Materialforschung über Design und Prozessierung bis hin zur Realisierung von Modulen, Systemen und Demonstratoren. https://www.iaf.fraunhofer.de/
https://www.eso.org/public/germany/teles-instr/alma/ – Mehr über ALMA erfahren
https://www.iaf.fraunhofer.de/de/forscher/elektronische-schaltungen.html – Mehr zu den Aktivitäten im Bereich Elektronik am Fraunhofer IAF
https://www.iaf.fraunhofer.de/de/netzwerker.html – Mehr zu den Kooperationsmöglichkeiten mit dem Fraunhofer IAF
https://www.mpifr-bonn.mpg.de/pressemeldungen/2025/8 – Zur Pressemitteilung des MPIfR
ALMA-Teleskopverbund in der Atacama-Wüste
Copyright: © ESO/C.Malin
Band-2-Hochfrequenzempfänger für ALMA
Copyright: © NOVA/ESO
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars, Students
Electrical engineering, Information technology, Physics / astronomy
transregional, national
Cooperation agreements, Transfer of Science or Research
German
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