Technologie des Fraunhofer IST auf dem Mars: Der Interferenzfilter ist Bestandteil eines optischen Sensors zur Staubcharakterisierung im »Mars Environmental Dynamics Analyzer«, kurz MEDA.  Courtesy NASA/JPL-Caltech
Technologie des Fraunhofer IST auf dem Mars: Der Interferenzfilter ist Bestandteil eines optischen Sensors zur Staubcharakterisierung im »Mars Environmental Dynamics Analyzer«, kurz MEDA. Courtesy NASA/JPL-Caltech

Im neuen Mars-Rover »Perseverance« ist ein optischer Interferenzfilter des
Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik, kurz Fraunhofer
IST, verbaut. Er hilft dem Rover der NASA bei der Untersuchung des Staubs
in der Atmosphäre des Planeten – und das unter den extremen Bedingungen.

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.

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.«

Mars-Staub gibt Aufschluss über Klimageschichte

Der Mars 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 ist übrigens der Grund, warum der Mars
auch »Roter Planet« genannt wird: Denn für die rötliche Färbung sorgt der
Eisenoxid-Staub – quasi Rost – , der die Oberfläche überdeckt. Der Staub
auf dem Mars, er verrät ganz wesentlich etwas über die Geschichte des
Planeten und gibt Aufschlüsse über die dortige Klimageschichte.

Projektleiter Stefan Bruns erläutert dazu die mit dem Vorhaben
verbundenen, besonderen Herausforderungen: »Der sogenannte ‚›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 3000 Mal einem schnellen Temperaturwechsel
zwischen -45 ° und 135 °C ausgesetzt. »Das System soll ja schließlich
nicht nach ein paar ›Marstagen‹ ausfallen«, erklärt Bruns.

Stabile Leistungen unter besonderen Umwelteinflüssen

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 eingesetzt: Der Filter des Fraunhofer
IST. »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 sogenannten
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.

Weitere Informationen zu der Arbeit des Fraunhofer-Institut für Schicht-
und Oberflächentechnik sind unter www.ist.fraunhofer.de zu finden,
Detailinformationen zu der Mars-Mission gibt es unter mars.nasa.gov.