Stukken plastic in de zee, het chlorofylgehalte in watermassa's, de mate van droogte in velden - sinds april 2022 cirkelt de Duitse milieusatelliet EnMAP om onze aarde en zal tijdens zijn vijfjarige missie talloze gegevens verzamelen. Het Fraunhofer Institute for Microengineering and Microsystems IMM en het Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF hebben verschillende kerncomponenten ontwikkeld voor het optische systeem van de hyperspectrale satelliet.

Op 1 april 2022 om 18:24 uur Midden-Europese tijd, het was zover:de Duitse milieusatelliet EnMAP - een afkorting van Environmental Mapping Analysis Program - begon zijn reis naar de ruimte vanuit het Amerikaanse ruimtecentrum Cape Canaveral. Gedurende vijf jaar zal het de aarde analyseren en gegevens leveren over onder meer de effecten van klimaatverandering, de beschikbaarheid en kwaliteit van water en veranderingen in landgebruik. De eerste gegevens die de satelliet naar de aarde stuurde, kwamen van de Bosporus en bestonden uit een analyse van het frequentiespectrum dat typerend is voor algenconcentraties in water. Met deze data willen onderzoekers de migratie en groei van algen onderzoeken. Dergelijke analyses zijn gedeeltelijk mogelijk gemaakt door twee soorten Fraunhofer-technologie.

Het hart van de satelliet:een module met dubbele spleet van Fraunhofer IMM

Om zijn analyses uit te voeren, detecteert de satelliet het licht van de zon dat door de aarde wordt gereflecteerd. Het golflengtebereik van 420 tot 2.420 nanometer, d.w.z. van zichtbaar licht tot diep infrarood, is echter te groot om met slechts één spectrometer te worden vastgelegd. Dit is waar een technologie van Fraunhofer IMM te hulp schiet. "We hebben een uiterst nauwkeurige module met dubbele spleet gemaakt die het invallende licht naar twee detectoren stuurt", legt Stefan Schmitt, groepsmanager bij Fraunhofer IMM in Mainz, uit. Door hun aard worden de twee spleten een beetje uit elkaar gehouden, wat betekent dat ze niet naar dezelfde punten op aarde kijken. "Het duurt daarom een ​​fractie van een seconde voordat de tweede spleet hetzelfde deel van de aarde ziet als de eerste", zegt Schmitt. Deze offset moet met maximale precisie worden geïdentificeerd om de opnames te kunnen overlappen en om de vereiste resolutie van 30 meter te bereiken.

De sleutel hiervoor is de uitzonderlijk nauwkeurige methode die wordt gebruikt om de module met dubbele spleet te vervaardigen, wat alleen mogelijk is met behulp van siliciumtechnologie. "Hoewel de technieken die we bij het instituut ter beschikking hebben, goed geschikt zijn om aan deze vereisten te voldoen, waren er nog veel uitdagende details om te overwegen", herinnert Schmitt zich. Zo bleken de aanvankelijk gebruikte rechthoekige sleuven mechanisch niet stabiel genoeg. De onderzoekers gingen daarom door met het maken van sleuven met een gegradueerde dwarsdoorsnede. "Ondanks uitgebreide simulaties en analyses door onze partners, moesten we het ontwerp en andere vereisten wijzigen terwijl de procesfase aan de gang was. Dit soort dingen gebeuren van tijd tot tijd bij het betreden van nieuwe wegen, dus we waren erop voorbereid", zegt Schmitt. De onderzoekers moesten ook andere modulecomponenten - zoals die gebruikt worden om licht af te buigen of strooilicht te onderdrukken - met de hoogste mate van precisie produceren met materialen die geschikt zijn voor ruimtetoepassingen zoals aluminium, roestvrij staal, nikkel en Invar, waarvan de eigenschappen moesten worden nauwkeurig gemeten en gedocumenteerd. Een ander lastig aspect betrof de montage van de dubbelspleetmodule. "De toleranties waren kleiner dan vijf micrometer, dus minder dan een tiende van de grootte van een haarlok", zegt Schmitt. Dit alles werd met zelfvertrouwen voltooid.

Licht en nauwkeurig:metalen spiegels van Fraunhofer IOF

Fraunhofer IOF droeg ook zijn expertise bij aan de satelliet:het instituut is een van de beste metaaloptica-ontwikkelaars ter wereld en heeft alle metalen spiegels geproduceerd die in de EnMAP-optiek worden gebruikt. "Voor toepassingen in de ruimte moeten de spiegels niet alleen een extreem glad oppervlak hebben en met een uitzonderlijke precisie worden gevormd - ze moeten ook zo min mogelijk wegen", zegt Dr. Stefan Risse, projectmanager bij Fraunhofer IOF in Jena . "Dit was een gebied waar we zelfs de gespecificeerde vereisten konden overschrijden:in plaats van de vereiste ruwheid van 1 nanometer rms (root mean square), vertonen onze metalen spiegels een ruwheid van minder dan 0,5 nanometer rms, gemeten in wit licht (50x vergroting) Ook konden we de toelaatbare vormafwijking niet alleen op 18 nanometer rms houden, maar in sommige gevallen zelfs op minder dan 10 nanometer rms." Om dit te bereiken gebruikten de onderzoekers aluminium waarop ze een röntgenamorfe metaallegering van nikkel en fosfor afzetten. Deze dikke film heeft qua structuur vergelijkbare eigenschappen als glas en is uitermate geschikt voor verspaning met diamantgereedschappen en polijsten tot een hoog afwerkingsniveau. Met betrekking tot de uiteindelijke vorm van de metalen spiegels heeft het team van onderzoekers de spiegels onderworpen aan corrigerende procedures zoals Ion Beam Figuring (IBF).

Naast de lage oppervlakteruwheid was een lichtgewicht ontwerp een ander belangrijk kwaliteitskenmerk van de spiegels. Ook in dit opzicht leverde de techniek van Fraunhofer IOF uitkomst. "We waren in staat om de massa met meer dan 40% te verminderen met behulp van een van onze gepatenteerde technieken - en nu betekent het gebruik van additieve processen dat besparingen tot 70% mogelijk zijn", zegt Risse. Het team slaagde erin om dit te bereiken door een structuur voor de spiegels te creëren die leek op een kapiteel in een kerk:dwarsboringen die haaks op elkaar aansluiten, verbinden de voor- en achterkant van de spiegel, en de gevormde kolomstructuur ondersteunt de oppervlakken. De voor- en achterkant van de spiegel zijn gesloten, waardoor het element een hoge mate van mechanische stijfheid heeft. In totaal heeft het team elf ultraprecieze metalen spiegels plus sterk reflecterende zilver- en goudlagen voor EnMAP vervaardigd en ook de glasoptiek gecoat door een dunne laag met een laag brekingsvermogen op het glas aan te brengen. + Verder verkennen

Het integreren van metalen microstructuren in glas