Weltraumbehörden untersuchen das Ausmaß der Treibhausgase in der Luft via Prismen und Gittern in Satelliten. Eine neue Technologie ermöglicht es nun, beide Komponenten weltraumtauglich miteinander zu verbinden. Dadurch wird eine neue Qualitätsstufe für spektrale Auflösung erreicht.

Direkt gebondetes Kieselglas-GRISM (Prism + Grating) mit innenliegendem Gitter.
Foto: © Fraunhofer IOF

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 Spektrometern, die sie per Satellit in den Weltraum bringen. Diese Spektrometer analysieren das von der Erde abgestrahlte Licht, indem sie es in seine einzelnen Farben zerlegen. 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 Dr. 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 - eine Bogenminute ist der 60. Teil eines Winkelgrads«, 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.