07 Sep. Pflanzenfluoreszenz aus dem Orbit messen
Bei der Photosynthese geben Pflanzen einen kleinen Teil der aufgenommenen Sonnenenergie als Fluoreszenz wieder ab. Dieses schwache Lichtsignal kann Hinweise darauf liefern, wie aktiv die Photosynthese abläuft und ob Pflanzen beispielsweise unter Trockenheit oder Hitze leiden. Forschenden wollen nun Fluoreszenz aus der Erdumlaufbahn spektral erfassen. Dafür soll das Fluorescence Imaging Spectrometer ‚Floris‘ der ESA-Erdbeobachtungsmission ‚Flex‘ eingesetzt werden.
Für das Spektrometer haben Forschende des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF eine Doppelspalt-Baugruppe auf Siliziumbasis sowie zwei hochpräzise Spiegel entwickelt und gefertigt. Floris arbeitet mit zwei Spektralkanälen: Ein Kanal liefert hochaufgelöste Informationen zu eng benachbarten Wellenlängen, während der zweite einen breiteren Spektralbereich erfasst. Der Doppelspalt ermöglicht sowohl die hohe spektrale Auflösung als auch die Erfassung eines breiteren Spektralbereichs.
Der Doppelspalt des Fraunhofer IOF wurde aus Silizium gefertigt. Bild: Fraunhofer IOF
Hohe Präzision bei Fertigung und Montage
Die beiden Schlitze der am Fraunhofer IOF gefertigten Baugruppe sind jeweils 44,15 mm lang und 85 µm breit. Die zulässige Abweichung der Spaltbreite beträgt ±1 µm. Größere Abweichungen würden laut den Entwickelnden dazu führen, dass zu viel oder zu wenig Licht auf den Detektor trifft und damit die Auswertung der Messdaten beeinträchtigen.
Für die Herstellung entwarf das Fraunhofer IOF eine lithografische Prozesskette für Silizium-Wafer. Die Wafer wurden maskiert, strukturiert und zeitgesteuert nassgeätzt. Anschließend erhielten die Schlitze eine schwarze Beschichtung, um störende Reflexionen zu minimieren.
Die fragilen Schlitze müssen hochparallel zueinander installiert und zugleich robust gegen extreme Umweltbedingungen im All sein. Bild: Fraunhofer IOF
Um das Siliziumelement präzise zu montieren, musste es mit einer Genauigkeit von weniger als 5 µm parallel zu den Blenden der Halterung positioniert werden. Die Ebenheit der Spalte musste dabei unter 10 µm liegen. Eine Kombination aus Formschluss, Klemmung und Klebung soll sicherstellen, dass die Baugruppe Vibrationen, Beschleunigungen und Temperaturschwankungen beim Raketenstart standhält.
Zusätzlich fertigte das Fraunhofer IOF zwei in die Schlitzbaugruppe integrierte Spiegel. Sie lenken das einfallende Licht auf die Detektoren des Spektrometers. Für ihre Oberflächen galt laut den Forschenden eine Rauheitsanforderung von 0,3 nm rms.
Pflanzenfluoreszenz als Messgröße
Flex steht für Fluorescence Explorer. Die ESA-Mission soll globale Karten der Pflanzenfluoreszenz liefern. Da diese Fluoreszenz mit der Photosynthese zusammenhängt, kann sie Hinweise auf die Aktivität von Pflanzen und auf Stress durch beispielsweise Trockenheit oder Hitze geben. Die Daten sollen unter anderem für die Beobachtung von Ökosystemen, landwirtschaftlichen Flächen und Wäldern sowie für die Klima- und Vegetationsforschung genutzt werden.
Der Start der Flex-Mission ist nach Angaben der Partner für den 15. September 2026 geplant. Die Doppelspalt-Baugruppe wurde am Fraunhofer IOF im Unterauftrag von OHB System entwickelt und gefertigt. Die Integration des Spektrometers und weitere Missionsvorbereitungen wurden von Leonardo und Thales Alenia Space geleitet.
Quelle: www.iof.fraunhofer.de
Bild: ESA/ATG Medialab