Nur wenige Monate nach dem Start von Sentinel-4 ist mit Sentinel-5 nun die nächste Mission aus der Copernicus-Reihe im All unterwegs. Das Instrument Sentinel-5 ist kein eigenständiger Satellit, sondern ein UVNS-Spektrometer (»Ultraviolet Visible Near-infrared Shortwave«), das auf einem Metop-Satelliten von EUMETSAT in eine erdnahe Umlaufbahn gebracht wurde. Von dort überwacht Sentinel-5 künftig täglich global die Luftqualität, Spurengase und Aerosole. Mit einer räumlichen Auflösung von bis zu 7 × 7 km² können Klimaforschende dadurch Emissionsquellen deutlich präziser identifizieren und analysieren als mit bisherigen Satellitenmissionen.

Sentinel-5 analysiert das von der Erde reflektierte Licht in vier Spektralkanälen: im ultravioletten, sichtbaren, nah- und kurzwelligen Infrarotbereich. Für den Kanal im nahen Infrarot (685-710nm) steuerte das Fraunhofer IOF gleich mehrere optische Bauteile bei: ein hocheffizientes Spektrometergitter sowie weltraumrobuste Halterungen und eine justiergedrehte Linsengruppe.

Weltraumrobuste Halterung und Montage

Über ein Eingangsteleskop wird das Licht zunächst eingefangen und über eine Kollimationslinse und Umlenkspiegel ins Innere des Instruments geleitet. Gefasst werden diese Optiken von isostatischen Halterungen aus Titan, die am Fraunhofer IOF entwickelt und gefertigt wurden. (Abb. 1) »Die Halterung darf mechanische Spannungen, welche durch die Integration und die Betriebstemperatur im All auftreten, nicht auf die Optik übertragen, da das zu Deformationen und damit zur Beeinträchtigung ihrer Abbildungsqualität führen würde«, erklärt Andreas Kamm, Fraunhofer-Forscher im optischen und mechanischen Systemdesign. Um das zu vermeiden, entwickelten die Forschenden ein zweistufiges Justier-Klebeverfahren sowie spezielle Festkörpergelenkanordnungen, die die Optik mechanisch von der Halterung entkoppeln und gleichzeitig dafür sorgen, dass sie die extremen Bedingungen beim Raketenstart ohne Schaden überstehen.

Hocheffizientes Transmissionsgitter

Anschließend trifft das Licht auf eine Baugruppe bestehend aus einem Prisma und einem optischen Gitter. Auch dieses Gitter wurde am Fraunhofer IOF gefertigt. (Abb. 2) »Für Sentinel-5 haben wir ein Transmissionsgitter mit einer besonders hohen Beugungseffizienz von mehr als 95% und weniger als 2% Polarisationssensitivität gefertigt«, erklärt Dr. Falk Eilenberger, Leiter der Abteilung für mikro- und nanostrukturierte Optiken. »Das Gitter besteht aus Quarzglas, in das mittels Elektronenstrahllithografie und reaktivem Ionentiefenätzen präzise Rillen mit 197 nm Breite eingearbeitet wurden.«

Mit einem speziellen Halterungssystem, technisch ähnlich jenem an der Kollimationslinse und den Umlenkspiegeln, ist das optische Gitter mit einem darunter liegenden Prisma verbunden. Zugleich waren die mechanischen Anforderungen an diese Baugruppe noch höher, wie Andreas Kamm erläutert: »Das Gitter musste in fünf Freiheitsgraden hochgenau, mit einem keilförmigen Luftspalt zum Prisma, justiert und dieser Zustand stabil und spannungsfrei fixiert werden.«

Justiergedrehte Linsengruppe

Nach der Prisma-Gitter-Baugruppe trifft das zerlegte Licht schließlich auf eine Linsengruppe (Abb. 4), die es zur Kamera des Spektrometers weiterleitet. Auch hier steuerte das Fraunhofer IOF sein Knowhow bei: Mit einer am Institut entwickelten Justierdrehmaschine wurden die Linsenfassungen mit bereits eingeklebten Linsen nachbearbeitet. Durch dieses spezielle Verfahren wurden die Abstände und die Ausrichtungen der Linsen zueinander auf wenige Mikrometer genau eingestellt.
 

Fraunhofer IOF: Kontinuierliche Beiträge zur Sentinel-Familie

Das Fraunhofer IOF ist seit Jahren an verschiedenen Sentinel-Missionen beteiligt: Für Sentinel-2 lieferte das Institut optische Filter, für Sentinel-4 ein Reflexionsgitter. Auch für das Spektrometer von CO2M (Sentinel-7), einer Ergänzungsmission im Copernicus-Programm, steuerte das Institut jeweils drei optische Baugruppen pro Satellit bei.

»Das Copernicus-Programm ist das führende Weltraumprogramm der EU, um unsere Erde und ihr Klima besser zu verstehen. Wir als Fraunhofer IOF sind stolz darauf, dass unsere optischen Baugruppen und Instrumente in den verschiedenen Sentinel-Missionen einen Beitrag zur präzisen Wettervorhersage und zum Verständnis des Klimawandels leisten«, erklärt Prof. Dr. Andreas Tünnermann, Leiter des Fraunhofer IOF.  

Die Arbeiten des Fraunhofer IOF an den genannten Bauteilen erfolgten in enger und langjähriger Kooperation mit der Jena-Optronik GmbH.

Disclaimer: This article was carried out under a programme of and funded by the European Space Agency. The views expressed herein can in no way be taken to reflect the official opinion of the European Space Agency.