ESA-Mission CO2M: Forschende aus Jena liefern Optik für Treibhausgas- Monitoring

Mit ihrer Weltraummission CO2M will sich die ESA der Frage widmen, wie
viel CO₂ -Treibhausgas in der Erdatmosphäre genau von Menschenhand
verursacht wird. Für die Spektrometer an Bord der Satelliten haben
Forschende aus Jena die wohl wichtigste optische Baugruppe entwickelt und
gefertigt: den Disperser. Er ermöglicht hochpräzise Messungen von
Treibhausgasen und deren Konzentration. Die erste flugtaugliche Baugruppe
wurde nun vollständig ausgeliefert.

Treibhausgase wie Kohlendioxid (CO₂) schädigen unser Klima. Um ihre
negativen Auswirkungen zu begrenzen, stellen sich dringende Fragen wie:
Wann und wo wird wieviel CO₂ ausgestoßen? Wie verteilt es sich in der
Atmosphäre? Und ganz besonders: Wie viele dieser Gase sind speziell von
Menschenhand gemacht?

Diesen Fragen will sich die »Copernicus Anthropogenic Carbon Dioxide
Monitoring«-Mission (CO2M) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) ab
2026 mit zwei Erdbeobachtungs-Satelliten widmen. Die Satelliten sollen in
einer Konstellation arbeiten und hochauflösende spektrale Messungen von
atmosphärischem CO₂ durchführen, um die Emissionen von Städten, Ländern
und großen Industriegebieten genau zu kartieren. Zu diesem Zweck werden
die Satelliten mit Infrarot-Spektrometern ausgestattet sein.

Für diese Spektrometer haben Forschende aus Jena eine wesentliche
Schlüsselkomponente hergestellt: den sogenannten Disperser. »Beim
Disperser handelt es sich um die optische Baugruppe für das Spektrometer«,
erläutert Thomas Höing, zuständiger Projektleiter am Fraunhofer-Institut
für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF. Er erklärt den Aufbau und die
Funktionsweise der Baugruppe: »Der Disperser besteht aus jeweils zwei
Prismen und einem Gitter und fungiert als eine Art ›Farbzerleger‹. Das
heißt: Er spaltet das von der Erde reflektierte Licht sehr genau in seine
Spektralfarben auf und ermöglicht somit hochpräzise Messungen des CO₂-
Gehalts in der Erdatmosphäre.«

Messung speziell von Menschen verursachter Treibhausgase

Hochpräzise heißt in diesem Fall: Die CO2M-Satelliten können den
Kohlendioxid-Gehalt der Erdatmosphäre an jedem beliebigen Ort unseres
Planeten mit einer Genauigkeit von weniger als einhundert CO2-Teilchen pro
einer Milliarde Moleküle Luft bestimmen. Zusammen mit einer hohen
Ortsauflösung können die Satelliten auf globaler Ebene sehr genau
analysieren, in welcher Region und durch welche (menschlichen) Quellen die
meisten Abgase ausgestoßen werden.

Die CO2M-Mission soll damit nicht nur dazu beitragen, den globalen
Kohlenstoffkreislauf besser zu verstehen, sondern letztendlich auch dabei
helfen, die Ziele des Pariser Klimaabkommens zu erreichen. »Als
Optikstandort leisten wir damit einen wichtigen Beitrag zur Begrenzung des
Klimawandels, denn CO2M wird Entscheider mit belastbaren Zahlen
versorgen«, resümiert der Projektleiter über das Missionsziel.

Einzigartige Kombination von Leistungsfähigkeit und Größe für optische
Gitter

Ermöglicht werden diese hochpräzisen Messungen durch die im Disperser
verbauten optischen Gitter, die am Fraunhofer IOF in Jena hergestellt
wurden. »Die nanostrukturierten Gitter haben eine besonders hohe Effizienz
von mehr als 90% und einen geringen Polarisationsgrad von weniger als
10%«, erläutert Thomas Höing. Größe und Leistungsfähigkeit des Dispersers
sind in dieser Form bisher einzigartig und das Ergebnis einer umfassenden
Teamarbeit am Fraunhofer IOF. Der Leiter der Abteilung für Mikro- und
Nanostrukturierte Optiken, Dr. Falk Eilenberger, erklärt: »Die
Leistungsparameter der CO2M-Spektrometer sind extrem. Insbesondere in der
Kombination aus ›Größe plus Effizienz plus Polarisation plus Wellenlänge
ist gleich Präzision‹. Gitter mit dieser Leistungsfähigkeit und Größe hat
es noch nie gegeben. In der Kombination mit zwei Prismen, welche die
Leistungsfähigkeit nochmals steigern, schon gar nicht.«

Möglich wird dies unter anderem durch ein spezielles, am Fraunhofer IOF
entwickeltes Gitterdesign. Hierzu erläutert weiterhin Dr. Stefan Risse,
Leiter der Abteilung für Präzisionsoptische Komponenten und Systeme: »Bei
unserem Gitterdesign werden die Gittergräben mit einem hochbrechenden
Material gefüllt und dann mit einem plasmaaktivierten Fügeverfahren auf
den Prismen zwischenschichtfrei, atomar-fest verbunden. Diese optischen
Komponenten mit extrem hoher Dispersion sind durch eine spezielle
isostatische Montierung an einer Strukturmechanik aus Titan befestigt.
Additiv gefertigte Leichtbau-Gehäuse, verschiedene Beschichtungen sowie
eine mit einem Laser aufgeraute lichtstreuende Fläche dienen weiterhin der
Minimierung von Streulicht. So kann das Signal-Rausch-Verhältnis des
Spektrometers optimiert werden.«

Teamwork am Fraunhofer IOF

Obwohl das Fraunhofer IOF viel Erfahrung in solchen Projekten hat, ist
CO2M in der Komplexität und im Anspruch besonders. »Thomas Höing musste
ein Team aus mehr als 50 Kolleginnen und Kollegen in fünf Abteilungen des
Institutes koordinieren«, resümiert noch einmal Falk Eilenberger.
»Hunderte Arbeitsschritte mussten dabei exakt ineinandergreifen, um am
Ende ein funktionierendes Instrument zu haben. Einige der Arbeitsschritte
haben wir für CO2M erst erfunden und anwendungsreif qualifiziert. Einige
andere wurden noch niemals in der Form oder Größe realisiert – und dann
gleich für eine Weltraumanwendung mit extremen Dokumentationsaufwand sowie
Zeit-, Kosten- und Erfolgsdruck. Das ganze Team ist an vielen Stellen über
sich hinausgewachsen.«

CO2M: Ein Programm der Europäischen Union

Die CO2M-Mission ist Teil des europäischen Copernicus-Programms. Sie ist
eine von sechs Erweiterungsmissionen, die entwickelt wurden, um die
Erdbeobachtungskapazitäten des Copernicus-Programms zu erweitern. Die
Missionsreihe wird von der ESA im Auftrag der Europäischen Union
umgesetzt.

Die Disperser für die Infrarot-Spektrometer wurden am Fraunhofer IOF im
Auftrag der Thales Alenia Space entwickelt und hergestellt. Thales Alenia
Space ist für die Entwicklung des kompletten CO2-Messinstruments (der
sogenannten CO2M-Payload) verantwortlich, in das die Disperser integriert
sind. Die erste flugtaugliche Baugruppe zur Anwendung im All wurde nun vom
Fraunhofer IOF vollständig an Thales Alenia Space übergeben. Weitere
Baugruppen folgen im Laufe des Jahres.

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