Lasertechnik für die Klimaforschung
Auf der Fachmesse LASER World of PHOTONICS präsentierte das Fraunhofer-
Institut für Lasertechnik ILT neue Lasersysteme zur Erforschung der
Erdatmosphäre. Vom 26. bis 29. April 2022 fand die Messe erstmals seit
drei Jahren wieder in München statt, und die Stimmung unter den 900
Ausstellern und 15.000 Besuchern war ausgelassen. Das Interesse an den am
Fraunhofer ILT ausgestellten Systemen war groß: Laser für den
Weltraumeinsatz, aber auch für bodengebundene Messungen.
Der Blick nach oben
Die Pandemie und der Krieg in der Ukraine haben in letzter Zeit viele
Fragen aufgeworfen. Der Klimawandel setzt sich aber trotzdem fort und wird
in den nächsten Jahren zu einem entscheidenden Risiko für die Menschheit.
Deshalb ist die Frage, wie sich die Atmosphäre verändert, von größter
Bedeutung.
Ein Team von Forschenden des Leibniz-Instituts für Atmosphärenphysik IAP
und des Fraunhofer ILT hat in den vergangenen Jahren eine neue Generation
von Lasermessgeräten für die Erkundung der Atmosphäre entwickelt. Auf der
LASER World of PHOTONICS präsentierten sie die neueste Generation dieser
mobilen Systeme, die Wind und Temperatur vom Boden bis in Höhen über 100
km messen können.
Kernstück dieses Doppler-LIDAR-Systems ist ein diodengepumpter
Alexandritlaser. Diese Strahlquelle ermöglicht die extrem kompakte Bauform
des Gesamtinstruments, einschließlich der Sende- und Empfangsoptik mit 1m
x 1m x 1m Volumen. »Der Vorläufer, basierend auf einem lampengepumpten
Alexandritlaser, wurde am Leibniz IAP entwickelt und war in einem
Schiffscontainer installiert«, berichtet Dr. Michael Strotkamp vom
Fraunhofer ILT in Aachen. »Mit der neuentwickelten diodengepumpten
Strahlquelle sind wir den alten blitzlampengepumpten Systemen auch bei
Stabilität und Lebensdauer deutlich überlegen.«
In den letzten 18 Monaten wurden zwei Laser-Prototypen in Lidarsysteme
integriert und in Messkampagnen am Leibniz IAP in Kühlungsborn erfolgreich
getestet. Zwei weitere, deutlich leistungsstärkere Systeme werden im Mai
2022 aus Aachen geliefert. Mit stärkeren Pumpdioden liefern sie über 2 W
Ausgangsleistung. Von Anfang an beteiligten sich die Atmosphärenforscher
um Dr. Josef Höffner an der Entwicklung der Lasersysteme. Heute verfügen
sie über das kompakteste System weltweit, um die Klimadaten vom Boden aus
bis in große Höhen präzise zu messen.
Im Rahmen des Projekts VAHCOLI (Vertical And Horizontal COverage by LIdar)
des Leibniz IAP werden mehrere Systeme in einem Netzwerk Flächen von
mehreren Zehntausend Quadratkilometern am Himmel vermessen. Für den
Satelliteneinsatz ist das System ebenfalls im Gespräch. In jedem Fall wird
es wertvolle Daten für die Atmosphärenphysik liefern. Das wird helfen, die
Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Schichten bis weit über 100 km
Höhe besser zu verstehen und damit Klima- und Wettermodelle deutlich zu
verbessern.
Der Blick vom Satelliten
Natürlich lässt sich die Atmosphäre auch von oben vermessen. Dafür steht
zum Beispiel die deutsch-französische Klimamission MERLIN (Methane Remote
Sensing LIDAR Mission). Ein Kleinsatellit soll drei Jahre lang das
Treibhausgas Methan in der Erdatmosphäre beobachten.
Auch bei MERLIN ist ein LIDAR-System an Bord, und auch da kommt die Laser
Optical Bench, das Kernelement des Lasers, vom Fraunhofer ILT. Für die
Methanmessung werden Laserpulse bei zwei Wellenlängen um 1645 nm in die
Atmosphäre geschickt. Die Differenz der rückgestreuten Lichtsignale
liefert die absolute Methankonzentration. Aus der Laufzeit der Pulse folgt
die jeweilige Höhe über dem Erdboden.
Die Laserquelle für MERLIN hat 2020 das »Critical Design Review«
absolviert, seit vergangenem Jahr wird das »Engineering Qualification
Model« aufgebaut. Beides sind wesentliche Meilensteine auf dem Weg zur
Qualifizierung für den Raumflug. Noch in diesem Jahr beginnt der Aufbau
des Systems für den eigentlichen Flug. Nach der Integration in das von
Airbus Defence und Space entwickelte druckdichte Gehäuse werden die
Laserquellen nach der Fertigstellung an den Auftraggeber Airbus Defence
and Space geliefert.
»Die eigentliche Herausforderung war die Qualifikation unserer Technik für
Weltraumprojekte«, berichtet Bastian Gronloh, Projektleiter MERLIN auf dem
Fraunhofer-Stand. »Das haben wir vor etwa 10 Jahren mit der FULAS-
Plattform begonnen, inzwischen sind alle Komponenten qualifiziert.« FULAS
steht für FUture LAser System und bezeichnet die Laserplattform in
Lötaufbautechnik, die am Fraunhofer ILT in Zusammenarbeit mit Airbus
entwickelt wurde. Dafür wurde vor allem die Löttechnik perfektioniert, mit
der die optischen Komponenten präzise und dauerstabil befestigt und
justiert werden.
Die Montage des MERLIN-Lasers erfolgt im Reinraum in Aachen. Auf der
LASER-Messe wurden einzelne Komponenten sowie der 3D-gedruckte
Demonstrator des Lasers ausgestellt. Nach Angaben der DLR-
Raumfahrtagentur, die das Instrument bei Airbus in Auftrag gegeben hat,
ist der Start der Mission für 2027 geplant. Die Modellphilosophie und das
Montagekonzept lassen sich natürlich auch auf andere Laser anwenden –
immer dann, wenn höchste Anforderungen an Präzision und Zuverlässigkeit
der Laser gestellt werden.
