Das Beste aus zwei Welten

Der CO₂-Ausstoß der Industrie trägt ebenso wie die Land­wirtschaft beträchtlich zum Klimawandel bei: vor allem durch Methan (CH₄) und Lachgas (N₂O), die bei Tier­haltung und Düngung in großen Mengen freigesetzt werden. Wie viele solcher Klima­gase sich in der Luft befinden, untersuchen Weltraum­behörden mit satelliten­gestützten Spektro­metern. Um eine möglichst hohe Auflösung zu bekommen, kombiniert man dabei Gitter- und Prismen-Strukturen: Prismen lenken das blaue Licht am stärksten ab, Gitter beugen das rote Licht am besten. Doch bisher ist es kaum möglich, beide Strukturen weltraum­tauglich miteinander zu verbinden. Normaler Klebstoff scheidet aus: Er absorbiert Licht und verfälscht somit das Mess­ergebnis, ist strahlungs­empfindlich und altert zu schnell.

Forscher am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Fein­mechanik IOF in Jena entwickelten eine Möglichkeit, die den unwirtlichen Bedingungen im All trotzt und das Mess­ergebnis nicht beeinträchtigt. Sie arbeiten mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Europäischen Weltraum­organisation ESA zusammen. „Wir verbinden die optischen Elemente auf atomarer Skala miteinander, genauer gesagt über Sauerstoff­brücken”, erläutert Gerhard Kalkowski, Wissenschaftler am IOF. „Somit liefern wir den Schlüssel, hoch­auflösende Systeme aus Prisma-Gitter-Strukturen künftig auch im Weltraum einsetzen zu können.”

Die Technologie ist aus dem Bereich der Silizium-Wafer bekannt, man spricht auch vom hydrophilen Bonden. Dabei werden Sauerstoff- und Wasserstoff­atome an die Wafer­oberfläche gebunden. Drückt man die Oberflächen unter erhöhter Temperatur im Vakuum zusammen, bilden die Sauerstoff-Atome eine feste, kovalente Verbindung zwischen den beiden Teilen. Diese Technologie haben die Forscher nun erfolgreich auf transparentes Kiesel­glas übertragen. Die Vorteile: Die Sauerstoff­brücken verbinden Gitter und Prisma fest miteinander, die Strahlung im Weltraum kann ihnen nichts anhaben. Zudem gibt es keine Zwischen­schicht wie beim Klebstoff, die die Messungen verfälschen würde.

Die Herausforderung war, Gitter und Prisma exakt zueinander zu positionieren. Dazu erzeugen die Wissenschaftler eine mechanische Kante am Gitter, die präzise dem Gitter­verlauf entspricht. „Die Ausrichtungen stimmen wie gefordert bis auf etwa eine Bogenminute überein”, berichtet Kalkowski.

Erste Prototypen bestanden Tests der ESA bereits erfolgreich. Die Forscher zeigen ihre Technologie auf der Berlin Air Show ILA vom 1. bis 4. Juni 2016 in Berlin (Halle 4, Stand 202). In einem weiteren Schritt arbeiten die Wissenschaftler nun an komplexeren Prisma-Gitter-Strukturen.

Fh.-Gesellschaft / DE