08.03.2021 • VakuumDünne Schichten

Sputterschichten auf dem Mars

Hochpräzises optisches Filtersystem hilft Perseverance bei der Staubanalyse.

Nach über ei­nem hal­ben Jahr und 472 Mil­li­o­nen Ki­lo­me­tern Reise ist der neue Mars-Ro­ver Per­se­verance er­folg­reich auf dem Mars ge­lan­det und lie­fert schon seit der Lan­dung spek­ta­ku­läre Bil­der des Nach­bar­plane­ten. Das Ziel: Wich­tige Er­kennt­nisse über et­wai­ges Le­ben auf dem Mars ge­winnen. Da­für ist in dem eine Tonne schwe­ren Ro­ver um­fangrei­che, hoch­sen­sible Tech­nik ver­baut – auch aus Deutsch­land. Vom Fraun­hofer IST aus Braun­schweig ist ein spe­ziel­ler op­ti­scher Fil­ter in­te­griert.

Abb.: Prä­zi­sion auf Dauer und unter har­schen Be­din­gun­gen: Der...
Abb.: Prä­zi­sion auf Dauer und unter har­schen Be­din­gun­gen: Der Inter­ferenz­filter des Fraun­hofer IST ist Be­stand­teil eines op­ti­schen Sen­sors zur Staub­charak­te­ri­sie­rung im „Mars En­viron­mental Dy­na­mics Ana­lyzer“, kurz MEDA. (Bild: Courtesy NASA/JPL-Caltech)

Konk­ret be­fin­det sich der Fil­ter in ei­nem opti­schen Sen­sor zur Staubcha­rak­teri­sie­rung im „Mars En­vironmental Dy­na­mics Ana­ly­zer“, kurz MEDA. „Der MEDA führt Wet­ter­mes­sun­gen durch, u. a. wer­den Windge­schwin­dig­keit und -rich­tung, Tempe­ratur und Luft­feuchtig­keit ge­mes­sen, aber auch Strahlung so­wie Menge und Größe von Staub­parti­keln in der Mar­s­at­mosphäre“, skiz­ziert Dr. Mi­chael Ver­göhl, Lei­ter der Ab­tei­lung Nie­der­druckplas­maver­fah­ren des Braun­schwei­ger Fraunhofer IST, das Sys­tem. In sei­ner Ab­tei­lung wer­den mit ei­ner spe­ziel­len Be­schichtungsan­lage, dem Sput­ter­sys­tem EOSS, u. a. hoch­prä­zise opti­sche Fil­ter­sys­teme ent­wi­ckelt. „Bei un­se­ren Ent­wick­lun­gen han­delt es sich stets um Spe­zial­an­fer­ti­gun­gen – so ist im Ro­ver ein für die­sen An­lass her­ge­stell­ter Bandpassfil­ter im Ein­satz.“

Der Mar·s En­vironmental Dy­na­mics Ana­ly­zer soll im Zuge der Mis­sion we­sent­lich dazu bei­tra­gen, die Er­for­schung des Mars durch Menschen vor­zu­be­rei­ten. Be­reit­ge­stellt wer­den in die­sem Zu­sam­menhang etwa tägli­che Wet­ter­be­richte, In­for­ma­tio­nen zu den Strah­lungs- und Wind­mus­tern und Er­kennt­nisse hin­sichtlich der stau­bi­gen Oberflä­che des Mars, die den Pla­ne­ten do­mi­niert. Jene Oberflä­che i   st übri­gens der Grund, wa­rum der Mars auch Ro­ter Pla­net ge­nannt wird: Denn für die rötli­che Fär­bung sorgt der Ei­sen­oxid-Staub, der die Oberflä­che überdeckt. Der Staub auf dem Mars gibt Auf­schlüsse über die dor­tige Kli­ma­ge­schichte.

Pro­jekt­lei­ter Ste­fan Bruns er­läu­tert dazu die mit dem Vor­ha­ben ver­bun­de­nen, be­son­de­ren Her­aus­for­de­run­gen: „Der Win­kels­hift – d. h. die Ver­fäl­schung der Mes­sung durch schräg ein­fal­len­des zu de­tek­tie­rendes na­hes Inf­ra­rot-Licht – muss möglichst ge­ring aus­fal­len, gleich­zei­tig muss der Fil­ter die ext­reme Gamma-, Pro­to­nen- und ioni­sie­rende Strah­lung vor Ort aus­hal­ten. Au­ßer­dem ist ein we­sent­li­cher As­pekt die Tempe­ra­tur­sta­bili­tät: Auch bei sehr tie­fen Tempe­ratu­ren bis zu -120 Grad Cel­sius darf sich der durchge­las­sene Wel­len­län­gen­be­reich von 950 nm, das so­ge­nannte Pass­band, nicht gra­vie­rend ver­schie­ben.“ Durch das Insti­tuto Na­ci­o­nal de Técnica Ae­ro­espacial (deutsch: Nati­ona­les Insti­tut für Luft- und Raum­fahrt­tech­nik), kurz INTA, wur­den im Vor­feld der Mis­sion fast vier Jahre lang um­fangrei­che und teil­weise schärfste Tests im Va­kuum mit Blick auf Druck- und Tempe­ra­tur-Be­din­gun­gen durch­ge­führt. Da­bei wurde der Fil­ter bei­spiels­weise drei­tau­sendmal ei­nem schnellen Tempe­ra­tur­wech­sel zwi­schen -45 und 135 Grad Cel­sius aus­ge­setzt. „Das Sys­tem soll ja schließ­lich nicht nach ein paar Marsta­gen aus­fal­len“, er­klärt Bruns.

Abb.: Inter­ferenz­filter für die Mars-Mission. (Bild: Fh-IST, Falko...
Abb.: Inter­ferenz­filter für die Mars-Mission. (Bild: Fh-IST, Falko Olden­burg)

Die Senso­ren des MEDA sind im Ro­ver an un­ter­schied­li­chen Po­siti­o­nen in­te­griert, un­ter an­de­rem am „Hals“ des Ge­räts, an der Front­seite so­wie im In­nen­teil. Die Sen­sorik für Strah­lungs­be­las­tung und Staub be­fin­den sich auf der Oberseite des Ro­vers. Dort ist auch der Fil­ter des Fraun­hofer IST ei­ge­setzt. „Die Auf­gabe des Fil­ters ist es, nur Licht im na­hen Inf­ra­rot-Be­reich durchzu­las­sen. Da­bei geht es da­rum, den Staub auf der Oberflä­che des Mars zu er­ken­nen“, schildert Bruns. An­ge­fragt wurde der Fil­ter von der spa­ni­schen Welt­raumorga­ni­sa­tion INTA.

Herge­stellt ha­ben die Wis­sen­schaft­ler des IST den Band­passfilter auf der EOSS-Be­schich­tun­gs­an­lage mit­tels Mag­net­ronsputtern. Um zu ge­währ­leisten, dass die ext­rem dün­nen Ein­zel­schichten des Fil­ters hochprä­zise und ho­mo­gen ab­ge­schieden wer­den, wird das ebenfalls am IST ent­wi­ckelte op­ti­sche Mo­ni­to­ring Sys­tem MOCCA+ ein­ge­setzt. Na­tür­lich kom­men Band­passfilter nicht nur in­ter­stel­lar zum Ein­satz. Der Ab­tei­lungslei­ter Mi­chael Ver­göhl dazu: „Es gibt auch im­mer wie­der Band­passfilter für An­wendungen auf der Erde. Die Be­son­der­heit die­ser Fil­ter liegt da­rin, dass sie auch un­ter au­ßer­ge­wöhnli­chen Um­weltein­flüs­sen sehr stabil ar­bei­ten.“ Je nach Rahmen­be­din­gung werden die Fil­ter für je­den An­lass be­son­ders ent­wi­ckelt.

IST / LK

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