Plastbitar i havet, klorofyllinnehåll i vattendrag, graden av torka i fält – sedan april 2022 har den tyska miljösatelliten EnMAP kretsat runt vår jord och kommer att samla in otaliga data under sitt femåriga uppdrag. Fraunhofer Institute for Microengineering and Microsystems IMM och Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF har utvecklat olika kärnkomponenter för det optiska systemet i den hyperspektrala satelliten.

Den 1 april 2022 klockan 18:24. Central European Time, tiden var inne:Den tyska miljösatelliten EnMAP – en förkortning för Environmental Mapping Analysis Program – började sin resa ut i rymden från det amerikanska rymdcentret Cape Canaveral. Under fem år kommer det att analysera jorden och leverera data om aspekter inklusive effekterna av klimatförändringar, tillgången och kvaliteten på vatten och förändringar i markanvändningen. De första uppgifterna som satelliten skickade till jorden kom från Bosporen och omfattade en analys av det frekvensspektrum som är typiskt för algkoncentrationer i vatten. Med hjälp av dessa data vill forskare undersöka migration och tillväxt av alger. Sådana analyser har delvis möjliggjorts av två typer av Fraunhofer-teknologi.

Satellitens hjärta:En dubbelslitsmodul från Fraunhofer IMM

För att genomföra sina analyser upptäcker satelliten ljuset från solen som reflekteras av jorden. Våglängdsintervallet från 420 till 2 420 nanometer, d.v.s. från synligt ljus till djupt infrarött, är dock för stort för att kunna registreras med bara en spektrometer. Det är här en teknik från Fraunhofer IMM kommer till undsättning. "Vi har tillverkat en dubbelslitsmodul med hög precision som riktar infallande ljus in i två detektorer", förklarar Stefan Schmitt, gruppchef på Fraunhofer IMM i Mainz. Till sin natur hålls de två slitsarna lite isär, vilket innebär att de inte ser på samma punkter på jorden. "Det tar därför en bråkdel av en sekund för den andra slitsen att se samma del av jorden som den första", säger Schmitt. Denna offset måste identifieras med maximal precision för att inspelningarna ska kunna läggas över och för att uppnå den erforderliga upplösningen på 30 meter.

Nyckeln till detta är den exceptionellt exakta metoden som används för att tillverka dubbelslitsmodulen, vilket endast är möjligt med hjälp av silikonteknologi. "Även om teknikerna som vi har tillgängliga på institutet är väl lämpade för att möta dessa krav, fanns det fortfarande många utmanande detaljer att överväga", minns Schmitt. Till exempel visade sig de rektangulära slitsarna som användes från början inte vara tillräckligt mekaniskt stabila. Forskarna fortsatte därför med att tillverka slitsar med graderat tvärsnitt. "Trots omfattande simuleringar och analyser från våra partners var vi tvungna att ändra design och andra krav medan processfasen pågick. Sånt här händer då och då när vi bryter ny mark, så vi var förberedda på det", säger Schmitt. Forskarna var också tvungna att tillverka andra modulkomponenter – som de som används för att avleda ljus eller dämpa spritt ljus – med högsta precision med hjälp av material lämpliga för rymdtillämpningar som aluminium, rostfritt stål, nickel och Invar, vars egenskaper måste vara exakt uppmätt och dokumenterad. En annan knepig aspekt gällde monteringen av dubbelslitsmodulen. "Toleranserna var mindre än fem mikrometer, så mindre än en tiondel av storleken på ett hårstrå", säger Schmitt. Allt detta fullbordades med övertygelse.

Lätt och exakt:Metallspeglar från Fraunhofer IOF

Fraunhofer IOF bidrog också med sin expertis till satelliten:Institutet är en av de bästa utvecklarna av metalloptik i världen och producerade alla metallspeglar som används i EnMAP-optiken. "För rymdtillämpningar behöver speglarna inte bara ha en extremt slät yta och formas med en exceptionell precision – de måste också väga så lite som möjligt", säger Dr Stefan Risse, projektledare på Fraunhofer IOF i Jena . "Detta var ett område där vi till och med kunde överträffa de angivna kraven:Istället för den erforderliga grovheten på 1 nanometer rms (root mean square), visar våra metallspeglar en grovhet på mindre än 0,5 nanometer rms när de mäts i vitt ljus (50x förstoring) . Vi kunde också hålla den tillåtna formavvikelsen inte bara till 18 nanometer rms, utan i vissa fall till och med mindre än 10 nanometer rms." För att uppnå detta använde forskarna aluminium som de avsatte en amorf röntgenmetalllegering av nickel och fosfor på. När det gäller sin struktur har denna tjocka film liknande egenskaper som glas och är mycket lämpad för bearbetning med diamantverktyg och polering till en hög finish. När det gäller den slutliga formen på metallspeglarna utsatte forskargruppen speglarna för korrigerande procedurer som Ion Beam Figuring (IBF).

Förutom den låga ytråheten var en lätt design en annan viktig kvalitetsegenskap för speglarna. Tekniken som används av Fraunhofer IOF levererade också i detta avseende. "Vi kunde minska massan med mer än 40 % med en av våra patenterade tekniker - och nu innebär användningen av additiva processer att besparingar på upp till 70 % är möjliga", säger Risse. Teamet lyckades uppnå detta genom att skapa en struktur för speglarna som liknade ett huvud i en kyrka:Tvärhål som möts i rät vinkel förbinder spegelns fram- och baksida, och pelarstrukturen som bildas stödjer ytorna. Spegelns fram- och baksida är stängda, vilket ger elementet en hög grad av mekanisk styvhet. Totalt tillverkade teamet elva ultraexakta metallspeglar plus högreflekterande silver- och guldskikt för EnMAP och belade även glasoptiken genom att applicera ett tunt lager med låg brytningskraft på glaset. + Utforska vidare

Integrering av metallmikrostrukturer i glas