03 Sep. Weitere ESA-Mission mit Optiken aus Jena gestartet
Nur wenige Monate nach dem Start von Sentinel-4 ist mit Sentinel-5 nun die nächste Mission aus der Copernicus-Reihe im All. Das Instrument Sentinel-5 ist kein eigenständiger Satellit, sondern ein UVNS-Spektrometer (Ultraviolet Visible Near-infrared Shortwave), das auf einem Metop-Satelliten von Eumetsat in eine erdnahe Umlaufbahn gebracht wurde. Von dort überwacht Sentinel-5 künftig täglich global die Luftqualität, Spurengase und Aerosole in der Erdatmosphäre.
Sentinel-5 analysiert das von der Erde reflektierte Licht in vier Spektralkanälen: im ultravioletten, sichtbaren, nah- und kurzwelligen Infrarotbereich. Für den Kanal im nahen Infrarot (685 bis 710nm) steuerte das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF gleich mehrere optische Bauteile bei: ein Spektrometergitter sowie weltraumrobuste Halterungen und eine justiergedrehte Linsengruppe.
Optikhalterungen für Extrembedingungen
Über ein Eingangsteleskop wird das Licht gesammelt und über eine Kollimationslinse und Umlenkspiegel ins Innere des Instruments geleitet. Gefasst werden diese Optiken von isostatischen Halterungen aus Titan, die am Fraunhofer IOF entwickelt und gefertigt wurden. Andreas Kamm, Fraunhofer-Forscher im optischen und mechanischen Systemdesign, erklärt: „Die Halterung darf mechanische Spannungen, welche durch die Integration und die Betriebstemperatur im All auftreten, nicht auf die Optik übertragen, da das zu Deformationen und damit zur Beeinträchtigung ihrer Abbildungsqualität führen würde.“ Um das zu vermeiden, entwickelten die Forschenden ein zweistufiges Justier-Klebeverfahren sowie spezielle Festkörpergelenkanordnungen, die die Optik mechanisch von der Halterung entkoppeln und gleichzeitig dafür sorgen, dass sie die extremen Bedingungen beim Raketenstart ohne Schaden überstehen.
Einer der beiden Umlenkspiegel, eingeklebt in eine Halterung aus Titan. Rechts und links sind v-förmig die Festkörpergelenke zu erkennen. Bild: Fraunhofer IOF
Transmissionsgitter beugt Licht besonders effizient
Im Inneren trifft das Licht auf eine Baugruppe bestehend aus einem Prisma und einem optischen Gitter. Dieses Gitter wurde am Fraunhofer IOF gefertigt. „Für Sentinel-5 haben wir ein Transmissionsgitter mit einer besonders hohen Beugungseffizienz von mehr als 95 % und weniger als 2 % Polarisationssensitivität gefertigt“, erklärt Dr. Falk Eilenberger, Leiter der Abteilung für mikro- und nanostrukturierte Optiken. „Das Gitter besteht aus Quarzglas, in das mittels Elektronenstrahllithografie und reaktivem Ionentiefenätzen präzise Rillen mit 197 nm Breite eingearbeitet wurden.“
Mit einem speziellen Halterungssystem, technisch ähnlich jenem an der Kollimationslinse und den Umlenkspiegeln, ist das optische Gitter mit einem darunter liegenden Prisma verbunden. Die mechanischen Anforderungen an diese Baugruppe waren noch höher, erläutert Kamm: „Das Gitter musste in fünf Freiheitsgraden hochgenau, mit einem keilförmigen Luftspalt zum Prisma, justiert und dieser Zustand stabil und spannungsfrei fixiert werden.“
Optisches Gitter für den Nahinfrarot-Kanal des Sentinel-5-Spektrometers. Bild: Fraunhofer IOF
Linsengruppe auf Maß gedreht
Nach der Prisma-Gitter-Baugruppe trifft das gebeugte Licht schließlich auf eine Linsengruppe, die es zur Kamera des Spektrometers weiterleitet. Mit einer am Fraunhofer IOF entwickelten Justierdrehmaschine wurden die Linsenfassungen mit bereits eingeklebten Linsen nachbearbeitet. Durch dieses spezielle Verfahren wurden die Abstände und die Ausrichtungen der Linsen zueinander auf wenige Mikrometer genau eingestellt.
Ein Stapel justiergedrehter Linsen während der Integration. Bild: Fraunhofer IOF
Fraunhofer IOF: Teil der Sentinel-Familie
Das Fraunhofer IOF ist seit Jahren an verschiedenen Sentinel-Missionen beteiligt: Für Sentinel-2 lieferte das Institut optische Filter, für Sentinel-4 ein Reflexionsgitter. Auch für das Spektrometer von CO2M (Sentinel-7), einer Ergänzungsmission im Copernicus-Programm, steuerte das Institut jeweils drei optische Baugruppen pro Satellit bei.
Die Arbeiten des Fraunhofer IOF an den Bauteilen erfolgten in enger und langjähriger Kooperation mit Jena-Optronik.
Fertig montierte Baugruppe, bestehend aus dem Gitter (oben aufliegend) und einem darunter liegenden Prisma (hier verdeckt). Eine spezielle Halterung (silberne Fassung + v-förmige Gelenke) verbindet Gitter und Prisma. Bild: Fraunhofer IOF
Quelle: www.iof.fraunhofer.de
Bild: ESA/ATG medialab/Fraunhofer IOF