Lasertechnik „Made in Germany“ für Umwelt-Satelliten

Methan wird als „Klimakiller“ noch nicht so intensiv diskutiert wie Kohlendioxid – dabei ist es in Bezug auf die Erderwärmung pro Molekül 25-mal wirksamer. Kohlendioxid kommt allerdings in der Atmosphäre etwa 200-mal häufiger vor und ist damit – absolut betrachtet – immer noch wesentlich schädlicher. Seit 2007 steigt die Methankonzentration in der Atmosphäre allerdings schnell an, ohne dass die Ursachen für das Phänomen wirklich klar wären.

Vor dieser Kulisse wurde 2010 das deutsch-französische Projekt „Merlin“ beschlossen: Die „Methane Remote Sensing LIDAR-Mission“ soll 2021 in Form eines Kleinsatelliten starten und die Methankonzentration 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 LIDAR des „Merlin“ können die Werte aber auch auf der Nachtseite der Erde gemessen werden. Zudem sind nun auch Messungen in kleinräumigen Wolkenlücken möglich.

Die Anforderungen an den Laser für die „Merlin“-Mission sind hoch: Das System muss starken Schocks und Vibrationen genauso widerstehen können wie thermischen 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 zuletzt: Das System muss nach dem Start für die Missionsdauer von 3 Jahren störungsfrei arbeiten.

Für Partner wie DLR, Airbus Defence and Space, TESAT Spacecom und die europäische Raumfahrtagentur ESA entwickelt das Fraunhofer ILT seit Jahren Technologien für solche weltraumtauglichen Laser. Einzelne Systeme sind auch schon geflogen – aber jetzt haben die Experten mit FULAS (dem Future Laser System) eine komplett neue Technologieplattform für Lasersysteme geschaffen, die sich auf unterschiedliche Laserstrahleigenschaften und Missionen hin anpassen lässt. Die FULAS-High-Power-Sektion wurde 2016 fertiggestellt, und 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 unter Ausnutzung des sogenannten Pick & Align-Verfahrens durchgeführt. Damit ist das Verfahren grundsätzlich automatisierbar und somit auch für andere Branchen interessant.

Auch der LIDAR-Laser für „Merlin“ basiert auf der FULAS Plattform: Auf und unter einer speziellen optischen Bank sind Laser-Oszillator, -Verstärker und Frequenzkonverter befestigt. Im Pick & Align-Verfahren werden 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 plus einem InnoSlab-Verstärker bei einer Wellenlänge von 1064 nm sowie einem längengeregelter 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 optisch parametrischer Oszillator (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 Review) 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 aber 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 am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand A2.431 gezeigt. Das Gesamtprojekt „Merlin“ wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert, Projektträger ist das Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft-und Raumfahrt (DLR).