Robuste Lasertechnik für Umwelt-Satelliten
Der Satellit MERLIN soll ab 2021 die Methan-Emissionen auf der Erde ermitteln.
2021 soll der deutsch-französische Satellit MERLIN zur Erforschung von Methan-Emissionen auf der Erde gestartet werden. Mit an Bord ist ein Lasersystem, das auch unter extremen Bedingungen präzise arbeitet. Methan wird als Klimagas noch nicht so viel diskutiert wie Kohlendioxid, bei der Erderwärmung ist es aber pro Molekül 25-mal wirksamer. Kohlendioxid kommt jedoch in der Atmosphäre etwa 200-mal häufiger vor und ist damit absolut wirksamer. Seit 2007 steigt die Methankonzentration in der Atmosphäre schnell an, ohne dass die Ursachen für das Phänomen wirklich klar wären.
Abb.: Künstlerische Darstellung des MERLIN-Instruments auf Basis der Myriade-Satellitenplattform. (Bild: CNES / D. Ducros)
Vor dieser Kulisse wurde 2010 das deutsch-französische MERLIN-Projekt beschlossen. Der Kleinsatellit MERLIN (Methane Remote Sensing LIDAR-Mission) soll 2021 starten und das Methan in der Erdatmosphäre kartieren. Die Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen entwickelten das Lasersystem und wollen verstehen, in welchen Regionen Methan in die Atmosphäre eingebracht wird und wo es abgebaut wird. Kernstück des Satelliten ist ein 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 MERLIN-LIDAR können die Werte aber auch auf der Nachtseite der Erde gemessen werden. Außerdem sind nun auch Messungen in kleinräumigen Wolkenlücken möglich.
Die Anforderungen an den Laser für die MERLIN-Mission sind extrem: Das System muss Schocks sowie Vibrationen bis 25 grms genauso aushalten wie thermische 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 alles muss nach dem Start für die Missionsdauer von drei Jahren störungsfrei funktionieren.
Für Partner wie DLR, Airbus Defence and Space, TESAT Spacecom und die ESA entwickelt das Fraunhofer ILT seit Jahren Technologien für solche weltraumtauglichen Laser. Einzelne Systeme sind schon geflogen, aber jetzt haben die Experten mit FULAS (Future Laser System) eine neue Technologieplattform für Lasersysteme geschaffen. Diese lässt sich auf unterschiedliche Laserstrahleigenschaften und Missionen anpassen. Die FULAS-High-Power-Sektion wurde 2016 fertiggestellt. 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 durchgeführt. Damit ist das Verfahren grundsätzlich automatisierbar und somit auch für andere Branchen interessant.
Abb.: LIDAR-System für die MERLIN-Mission enthält alle Komponenten vom Pumplaser bis zur Frequenzkonversion in einem kompakten Aufbau. (Bild: Fh.-ILT)
Auch der LIDAR-Laser für MERLIN baut auf der FULAS Plattform auf. Auf und unter einer speziellen optischen Bank sind Laser-Oszillator, -Verstärker und Frequenzkonverter befestigt. Mit dem neuen Verfahren sind die optischen Komponenten justiert und verlötet. 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 sowie dem InnoSlab-Verstärker bei einer Wellenlänge von 1064 nm und einem längengeregelten 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 OPO entwickelt und bereits erfolgreich umgesetzt. Die Robustheit des kompletten OPO-Aufbaus konnte in MERLIN-Temperaturtests nachgewiesen werden. Der Betrieb des MERLIN-Systems im All ist in etwa drei Jahren geplant, die Fertigungstechnologien und die Testprozeduren sind schon jetzt etabliert und können für weitere flugtaugliche Systeme genutzt werden.
Fh.-ILT / JOL
