Quelle: Ferdinand-Braun-Institut gGmbH 26. August 2022.

26. August 2022 – Das Quantentechnologie-Start-up Q.ANT, Bosch, TRUMPF und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben eine Partnerschaft zur Entwicklung weltraumtauglicher Lage­sensoren geschlossen. Mit Hilfe dieser auf Quantentechnologie basierenden Sensoren soll es gelingen, Mini-Satelliten präzise auszurichten und die weltweite Datenkommunikation zu verbessern. Die Sensoren sind eine Schlüsseltechnologie, da sie eine hochgenaue Ausrichtung der Satelliten untereinander und damit eine Hochgeschwindigkeitsverbindung für Daten ermöglicht. „Diese strategische Partnerschaft zeigt, welches Potenzial in der gemeinsamen Entwicklung von Zukunftstechnologien steckt. Der Einsatz von Quantentechnologie in der Luft- und Raumfahrt ist für den Industriestandort Deutschland eine riesige Chance“, sagt Michael Förtsch, CEO von Q.ANT. Die Partnerschaft soll ein weltumspannendes, erdnahes Mini-Satelliten-Netz unterstützen, das die Internetverbindung insbesondere in abgelegenen Regionen verbessert. Den ersten Mini-Satelliten mit Quantentechnologie möchte das DLR in fünf Jahren Richtung Weltall starten. Quanteneffekte nutzende Lagesensoren lassen sich nicht nur bei Satelliten, sondern auch beim automatisierten Fahren oder bei der Indoor-Navigation zum Beispiel in Fabrik- und Logistikhallen einsetzen. Das Forschungsbudget für das Projekt liegt bei rund 28 Millionen Euro, ein Großteil davon stammt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Mit dem Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik beteiligt sich zudem ein renommiertes Forschungsinstitut für Laserdioden, insbesondere für Anwendungen im Weltraum.

Quantensensoren liefern dauerhaft präzise Ergebnisse
Um eine zuverlässige Übertragung der Signale von Satelliten sicherzustellen, müssen die Satelliten auf ihrer Umlaufbahn dauerhaft höchstpräzise ausgerichtet sein. Verlieren die Satelliten die richtige Position, schwächen sich die Kommunikationssignale ab. Das Konsortium möchte mit Hilfe von Quantentechnologie eine langfristige Messstabilität garantieren. Quantensensoren eignen sich für den Einsatz in Satelliten besonders, weil sie dauerhaft genaue Messergebnisse liefern können, hohe Leistung auf wenig Raum erbringen, und wenig wiegen. Die Satelliten können dadurch jahrelang präzise ihre Position halten.

Starke Partnerschaft aus Industrie und Forschung
Die Entwicklung europäischer Quantensensoren soll die Unabhängigkeit vom Weltmarkt stärken. Q.ANT leitet die Entwicklungspartnerschaft, entwickelt das Gesamtkonzept des Sensors und ist für die Integration der verschiedenen Komponenten verantwortlich. Dabei liegt der Schwerpunkt auf einer präzisen und stabilen Ausrichtung der Sensorkomponenten untereinander, um die Funktionsfähigkeit im Satelliten zu gewährleisten. „Mit unserem Sensor wollen wir vereinfacht gesagt den Gleichgewichtssinn des Satelliten verbessern“, sagt Michael Förtsch, CEO von Q.ANT. Das deutsche Quantentechnologie-Start-up mit Sitz in Stuttgart liefert zudem elektronische Schlüsselkomponenten wie eine sehr rauscharme Detektionseinheit.

Die Bosch-Forschung entwickelt eine miniaturisierte, weltraumtaugliche Messzelle. „Die Messzelle ist das Herzstück des Quantensensors“, sagt Thomas Kropf, Forschungschef von Bosch. Sie ist mit einem atomaren Gas befüllt, das mit Laserstrahlen und Magnetfeldern zu einer Kreiselbewegung der Atome angeregt wird. Die gemessene Drehgeschwindigkeit der Kreiselbewegung ändert sich durch die Drehung des Sensors und gibt damit hochpräzise Rückschlüsse über Lageänderung des Satelliten und ermöglicht damit eine genauere Lagekontrolle. „Wir freuen uns, dass wir unsere Expertise im Bereich Quantensensoren in das Projekt einbringen und damit die Erfolgsgeschichte der MEMS (Micro-electro-mechanical Systems) Sensorik bei Bosch fortschreiben können.“

Uber TRUMPF
TRUMPF bringt gleich von zwei deutschen Standorten sein Laser-Knowhow ein. Die Miniaturlaserdioden entstehen bei TRUMPF Photonic Components in Ulm, und werden bislang zum Beispiel Smartphones und in industriellen optischen Sensoren eingesetzt. Gemeinsam mit dem Ferdinand-Braun Institut werden die robusten Strahlquellen nun für den Einsatz in der Quantentechnologie und im Weltraum entwickelt. „Die Zukunft für unsere Minilaser ist vielversprechend und eröffnet viele neue Anwendungen. Mit dem Förderprojekt stärken wir einmal mehr den Photonik-Standort Deutschland. Viele Zukunftstechnologien profitieren von dem Knowhow und unserer hochmodernen Produktion, welche wir über Jahre aufgebaut haben“, sagt Berthold Schmidt, CEO bei TRUMPF Photonic Components. Der TRUMPF Standort in Berlin ist spezialisiert auf Lösungen in den Bereichen Sensorik, Laser- und Quantentechnologie. Dort werden die Lichtquellen aus Ulm mit neuartiger Aufbau- und Automatisierungstechnik in robusten, miniaturisierten Gehäusen mit weiterer Messtechnik integriert und temperaturstabilisiert, sodass sie den anspruchsvollen Bedingungen im Weltall standhalten. Das Galileo Kompetenzzentrum im DLR ist für alle weltraumrelevanten Aspekte verantwortlich. Es stellt die Weltraumtauglichkeit sicher und ist für die Implementierung, den Transport und den Betrieb des Satelliten zuständig. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Verbundprojekt QYRO im Rahmen der Fördermaßnahme „Leuchtturmprojekte der quantenbasierten Messtechnik zur Bewältigung gesellschaftlicher Herausforderungen.“

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• DLR

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Quelle: Ferdinand-Braun-Institut gGmbH 2. Juni 2022.

2. Juni 2022 – Vom 22. bis 24. Juni 2022 präsentiert das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) auf der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung (ILA) in Berlin weltraumtaugliche Diodenlaser-Module mit schmaler Linienbreite, optische Frequenzreferenzen sowie weitere III/V-Komponenten für Satelliten- und Quantentechnologie-Anwendungen. Das Institut deckt dabei die komplette Wertschöpfungskette ab – vom Chipdesign über die Prozessierung bis hin zu Modulen und Systemen. Seine Entwicklungen stellt das FBH am Gemeinschaftsstand der Berlin-Brandenburg Aerospace Allianz, in Halle 1, Stand 240 aus.

Lasersysteme für quantenoptische Präzisionsexperimente
Das FBH entwickelt und fertigt seit vielen Jahren robuste und kompakte Diodenlasermodule für anspruchsvolle Weltraumanwendungen. Diese Module haben ihre Leistungsfähigkeit bereits mehrfach in Experimenten unter Schwerelosigkeit bewiesen. Am Stand zeigt das Institut eines der 55 ultra-schmalbandigen Lasermodule, die es für die BECCAL-Apparatur (Bose-Einstein Condensate – Cold Atom Laboratory) entwickelt hat und aktuell fertigt. Sie sollen ab 2024 in der Forschungsanlage für quantenoptische Experimente mit ultra-kalten Atomen an Bord der internationalen Raumstation ISS eingesetzt werden. Fundamentalphysikalische Fragestellungen mit Quantenobjekten sollen damit nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt (-273,15 °C) hochgenau untersucht werden.

Kernstücke dieser und bisheriger Diodenlasermodule sind am FBH entwickelte Laserdioden, die gemeinsam mit Optiken und weiteren passiven Elementen mit höchster Stabilität und Präzision aufgebaut werden. Die mikrointegrierten Lasermodule basieren auf der institutseigenen, patentierten MiLas®-Technologie die speziell für den Einsatz im Weltraum entwickelt wurde. Sie sind extrem robust, zeichnen sich durch geringe Abmessungen von nur 125 x 75 x 23 mm³ und eine geringe Masse (750 g) aus. Dabei erreichen sie exzellente Ausgangsleistungen von > 500 mW bei zugleich schmaler intrinsischer Linienbreite < 1 kHz. Parallel arbeitet das FBH schon an einer noch kompakteren Variante und überträgt das bewährte Konzept der hybrid-aufgebauten Extended Cavity Diode Laser (ECDL) derzeit auf einen einzigen Chip.

In enger Zusammenarbeit mit der Humboldt-Universität zu Berlin werden derartige Module auch zu kompakten Quantensensoren und optischen Uhren für den Einsatz im Weltraum und für industrietaugliche Systemlösungen in der Quantentechnologie aufgebaut. Das gemeinsame Joint Lab präsentiert eine völlig autonome frequenzstabilisierte Laserquelle mit integrierter DFB-Laserdiode, die auf dem D2-Übergang in Rubidium bei 780 nm basiert.

Lasermodule für Satelliten: von Kommunikation bis Klimaschutz
Zu den Entwicklungen zählen auch Pumplaserquellen, die in Laserkommunikationsterminals zur optischen Datenübertragung (EDRS) oder zur Satellitenüberwachung des klimaschädlichen Methangases (MERLIN) genutzt werden. Jedes FBH-Modul für MERLIN ist mit zwei Hochleistungslaser-Halbbarren ausgestattet, die 130 W gepulste Emission bei 808 nm Wellenlänge liefern. Ihre Zuverlässigkeit über die gesamte Missionsdauer wurde in unabhängigen Tests bestätigt.

Neu entwickelte DBR-Laserarray-Module bieten dank eines integrierten Bragg-Reflektors auf Chipebene sowohl ein geringes Rauschen als auch eine hohe Zuverlässigkeit. Qualifiziert wurden die Module im Dauerbetrieb für mehr als 15 Jahre. Damit eignen sie sich als Flughardware beispielsweise zum Pumpen von Nd:YAG-Lasern für die optische Datenkommunikation.

Energieeffiziente Komponenten für Satellitenkommunikation und -sensorik
Wegen ihrer hohen Strahlungshärte und der möglichen hohen Schaltfrequenzen eignen sich Galliumnitrid (GaN)-Schalttransistoren besonders für das Power Conditioning in Satelliten. Der vom FBH entwickelte 10 A/400 V Aluminiumnitrid Power Core mit GaN-Leistungstransistoren in Halbbrücken-Konfiguration minimiert Streuinduktivitäten und Kapazitäten der Schaltzelle. Dabei werden Leistungsschalter, Gatetreiber und DC-Link-Kondensatoren extrem kompakt heterointegriert und die Wärme wird effizient durch das Aluminiumnitrid-Substrat abgeführt. So konnten die Schaltzeiten der Leistungszelle gegenüber einem konventionellen Aufbau mit diskreten Bauelementen halbiert werden. Hohe Schaltfrequenzen bei gleichzeitig hohem Konverter-Wirkungsgrad sind die Voraussetzung für Leistungskonverter mit besonders hoher Leistungsdichte. Ein zentraler Aspekt, da jedes Gramm im Weltraum zählt. Erst kürzlich ist es gelungen, die Größe eines Konverters weiter zu reduzieren – bei gleicher Leistung.

Wirkungsgrad und Verlustleistung sind kritische Punkte auch bei den Sendeverstärkern in Satelliten. Daher entwickelt das FBH Konzepte zum Envelope Tracking – eine bekannte Technik, um die Effizienz von Hochfrequenz-Leistungsverstärkern zu steigern.

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• ILA Berlin

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

26. Januar 2022 – Anfang Dezember 2021 startete das Projekt „Entwicklung eines Lasersystems für Experimente mit Bose-Einstein-Kondensaten auf der Internationalen Raumstation innerhalb der BECCAL-Nutzlast (BECCAL-II)“ unter Beteiligung eines Teams um Prof. Dr. Patrick Windpassinger und Dr. André Wenzlawski von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). In Zusammenarbeit mit der Humboldt-Universität zu Berlin, dem Ferdinand-Braun-Institut (FBH) und der Universität Hamburg soll in diesem Vorhaben ein Lasersystem für das BECCAL-Experiment zur Untersuchung von ultrakalten Atomen auf der Internationalen Raumstation (ISS) entwickelt werden.

Beim BECCAL-Experiment handelt es sich um eine Multi-Nutzer-Plattform, die zahlreichen nationalen und internationalen Wissenschaftlern für die Verwirklichung ihrer Ideen offenstehen wird. Die Plattform ermöglicht ihnen, eine Vielzahl von Experimenten unter anderem auf den Gebieten der Quantensensorik, der Quanteninformation oder der Quantenoptik durchzuführen.

Transport der BECCAL-Projekte zur ISS für Anfang 2026 geplant
Die ISS erlaubt dabei eine einzigartige Kombination von Schwerelosigkeit, Zugänglichkeit und einer hohen Anzahl von Experimenten. Dies macht unter anderem auch die Durchführung von Hochpräzisionsexperimenten, wie zum Beispiel zum Test des Einstein’schen Äquivalenzprinzips, möglich. „Für die Experimente ist es ideal, wenn auf die Wolke aus ultrakalten Atomen keine Kräfte wirken. Solche Bedingungen ermöglicht die Schwerelosigkeit“, erklärt André Wenzlawski von der Arbeitsgruppe Windpassinger zu dem Vorhaben.

Das BECCAL-Experiment ist ein Nachfolger des CAL-Projektes, das sich seit 2018 an Bord der ISS befindet und seitdem zahlreiche Experimente durchgeführt hat. Dabei soll BECCAL die experimentellen Möglichkeiten speziell auf den Gebieten der Präzisions-Atominterferometrie und der Manipulation der Atome mit verstimmten Lichtfeldern erweitern. Aber auch durch neue technologische Ansätze bei der Präparation des atomaren Ensembles wird eine allgemein bessere Performance angestrebt. Die Nutzlast ist für einen Start Anfang 2026 vorgesehen und soll die CAL-Apparatur im Destiny-Modul der ISS eins zu eins ersetzen.

In dem mit 3,4 Millionen Euro geförderten Teilprojekt will die Gruppe um Patrick Windpassinger, Professor am Institut für Physik der JGU, gemeinsam mit der Universität Hamburg ein zerodurbasiertes Strahlaufteilungs- und Schaltsystem entwickeln, realisieren und innerhalb der BECCAL-Nutzlast zum Einsatz bringen. In diese Entwicklungen fließen die Erkenntnisse von zahlreichen vorangegangenen Experimenten unter Schwerelosigkeit ein, wie beispielsweise MAIUS, QUANTUS oder KALEXUS, an denen die JGU bereits beteiligt war. „Bei diesen Experimenten konnten wir in der Vergangenheit sowohl die technologischen Grundlagen für die Verwirklichung eines solchen, extrem komplexen Experiments legen als auch erste fundamentale Tests zur Durchführbarkeit der angestrebten Experimente vornehmen“, sagt André Wenzlawski.

Die dafür benötigten robusten Lasermodule kommen aus dem FBH, das aktuell 55 der schmalbandigen Laserquellen fertigt. Die Humboldt-Universität zu Berlin koordiniert die Integration dieser Lasermodule zusammen mit dem optischen Strahlaufteilungs- und Schaltsystem in ein kompaktes Gesamtsystem. Die Finanzierung des Projektes erfolgt durch das Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags.

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• ISS Forschung & Forschungseinrichtungen

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