Kernekomponenter til det optiske system af hyperspektrale satellitter

Plaststykker i havet, klorofylindhold i vandmasser, graden af ​​tørke på marker – siden april 2022 har den tyske miljøsatellit EnMAP kredset om vores Jord og vil indsamle utallige data under sin femårige mission. Fraunhofer Institute for Microengineering and Microsystems IMM og Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF har udviklet forskellige kernekomponenter til det optiske system af den hyperspektrale satellit.

Den 1. april 2022 kl. 18.24. Centraleuropæisk tid var tiden kommet:Den tyske miljøsatellit EnMAP – en forkortelse for Environmental Mapping Analysis Program – begyndte sin rejse ud i rummet fra det amerikanske rumcenter Cape Canaveral. I fem år er det sat til at analysere Jorden og levere data om aspekter, herunder virkningerne af klimaændringer, tilgængeligheden og kvaliteten af ​​vand og ændringer i arealanvendelsen. De første data, som satellitten sendte til Jorden, kom fra Bosporus og omfattede en analyse af det frekvensspektrum, der er typisk for algekoncentrationer i vand. Ved hjælp af disse data ønsker forskere at undersøge migration og vækst af alger. Sådanne analyser er delvist blevet muliggjort af to typer Fraunhofer-teknologi.

Satellittens hjerte:Et dobbeltslidsmodul fra Fraunhofer IMM

For at udføre sine analyser registrerer satellitten lyset fra solen, der reflekteres af Jorden. Imidlertid er bølgelængdeområdet fra 420 til 2.420 nanometer, altså fra synligt lys til dybt infrarødt, for stort til at blive optaget med kun ét spektrometer. Det er her en teknologi fra Fraunhofer IMM kommer til undsætning. "Vi har fremstillet et højpræcisions-dobbeltspaltemodul, der leder det indfaldende lys ind i to detektorer," forklarer Stefan Schmitt, gruppeleder hos Fraunhofer IMM i Mainz. I sagens natur holdes de to spalter lidt fra hinanden, hvilket betyder, at de ikke ser på de samme punkter på Jorden. "Det tager derfor en brøkdel af et sekund for den anden spalte at se den samme del af Jorden som den første," siger Schmitt. Denne offset skal identificeres med maksimal præcision for at gøre det muligt at overlejre optagelserne og opnå den nødvendige opløsning på 30 meter.

Nøglen til dette er den usædvanligt præcise metode, der bruges til at fremstille dobbeltspaltemodulet, hvilket kun er muligt ved hjælp af siliciumteknologi. "Selvom de teknikker, vi har til rådighed på instituttet, er godt placeret til at opfylde disse krav, var der stadig mange udfordrende detaljer at overveje," husker Schmitt. For eksempel viste de rektangulære slidser, der blev brugt i starten, sig ikke at være mekanisk stabile nok. Forskerne fortsatte derfor med at fremstille spalter med et gradueret tværsnit. "På trods af omfattende simuleringer og analyser fra vores partnere, var vi nødt til at ændre design og andre krav, mens procesfasen var i gang. Sådanne ting sker fra tid til anden, når vi bryder nye veje, så vi var forberedt på det," siger Schmitt. Forskerne skulle også producere andre modulkomponenter - såsom dem, der blev brugt til at aflede lys eller undertrykke spredt lys - til den højeste grad af præcision ved hjælp af materialer, der var egnede til rumapplikationer såsom aluminium, rustfrit stål, nikkel og Invar, hvis egenskaber skulle være præcist målt og dokumenteret. Et andet vanskeligt aspekt var at samle det dobbelte spaltemodul. "Tolerancerne var mindre end fem mikrometer, så mindre end en tiendedel af størrelsen på et hårstrå," siger Schmitt. Alt dette blev afsluttet med selvtillid.

Lette og præcise:Metalspejle fra Fraunhofer IOF

Fraunhofer IOF bidrog også med sin ekspertise til satellitten:Instituttet er en af ​​de bedste udviklere af metaloptik i verden og producerede alle de metalspejle, der blev brugt i EnMAP-optikken. "Til rumapplikationer skal spejlene ikke kun have en ekstrem glat overflade og være formet med et exceptionelt præcisionsniveau - de skal også veje så lidt som muligt," siger Dr. Stefan Risse, projektleder hos Fraunhofer IOF i Jena . "Dette var et område, hvor vi endda kunne overskride de specificerede krav:I stedet for den påkrævede ruhed på 1 nanometer rms (root mean square), viser vores metalspejle en ruhed på mindre end 0,5 nanometer rms, når de måles i hvidt lys (50x forstørrelse) Vi var også i stand til at holde den tilladte formafvigelse ikke kun på 18 nanometer rms, men i nogle tilfælde endda på mindre end 10 nanometer rms." For at opnå dette brugte forskerne aluminium, hvorpå de afsatte en røntgenamorf metallegering af nikkel og fosfor. Med hensyn til sin struktur har denne tykke film lignende egenskaber som glas og er særdeles velegnet til bearbejdning med diamantværktøj og polering til et højt finishniveau. Med hensyn til den endelige form af metalspejlene udsatte forskerholdet spejlene for korrigerende procedurer såsom Ion Beam Figuring (IBF).

Ud over den lave overfladeruhed var et letvægtsdesign en anden vigtig kvalitetsegenskab for spejlene. Teknikken anvendt af Fraunhofer IOF leverede også i denne henseende. "Vi var i stand til at reducere massen med mere end 40% ved hjælp af en af ​​vores patenterede teknikker - og nu betyder brugen af ​​additive processer, at besparelser på op til 70% er mulige," siger Risse. Det lykkedes for teamet at opnå dette ved at skabe en struktur til spejlene, der lignede en kapitæl i en kirke:Tværboringer, der mødes i rette vinkler, forbinder spejlets for- og bagside, og søjlestrukturen, der dannes, understøtter overfladerne. Forsiden og bagsiden af ​​spejlet er lukket, hvilket giver elementet en høj grad af mekanisk stivhed. I alt fremstillede holdet elleve ultrapræcise metalspejle plus højreflekterende sølv- og guldlag til EnMAP og coatede også glasoptikken ved at påføre glasset et tyndt lag med lav brydningsevne. + Udforsk yderligere

Integrering af metalmikrostrukturer i glas