Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF 26. März 2024.

26. März 2024 – Unter Leitung des Fraunhofer IOF entwickelte das Projekt CubEniK eine ultrakompakte Nutzlast für einen Satelliten von der Größe eines Schuhkartons, einen sogenannten »CubeSat«. Ziel des Mini-Satelliten ist es, einen sicheren Quantenschlüssel über eine Entfernung von 300 Kilometern zwischen zwei Bodenstationen in Jena und München zu übertragen.

Wenn Alice und Bob miteinander sprechen, dann hört niemand zu. Kein Lauschen, kein Abhören. Wie das geht? Alice und Bob sind Sende- und Empfangseinheiten. Sie nutzen die sogenannte Quantenschlüsselverteilung (QKD) für absolute Vertraulichkeit. Dabei werden verschränkte Photonen zwischen ihnen verschickt, um einen sicheren (Quanten-)Schlüssel für die Datenverschlüsselung zu erzeugen. Die Übertragung solcher verschränkten Photonenpaare am Boden ist auf verschiedenen Wegen möglich, zum Beispiel über Glasfasernetze. Allerdings ist die maximale Reichweite dieser Netze üblicherweise auf 200 Kilometer beschränkt, denn Quantenschlüssel können innerhalb einer Faser nicht ohne weiteres verstärkt werden. Entsprechend groß ist der Bedarf nach Lösungsansätzen, um auch größere Entfernungen – tendenziell sogar globale Netze – abzudecken. Die Idee: Der Einsatz von Satelliten im All. Doch konventionelle Satelliten sind teuer, groß und damit ressourcenintensiv.

Entwicklung einer ultrakompakten Nutzlast für einen »CubeSat«
Diesem Problem hat sich das Team des Projektes CubEniK angenommen. Unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena hat das Forschungskonsortium eine ultrakompakte Nutzlast für einen Mikro-Satelliten, auch CubeSat genannt, entwickelt. »Unser CubEniK-System kann in einem 16U CubeSat untergebracht werden«, berichtet Erik Beckert, Leiter der Abteilung opto-mechatronische Komponenten und Systeme am Jenaer Institut. Das heißt konkret: »Mit einer Abmessung von 20 x 20 x 40 Zentimetern des Satelliten, ist das am Fraunhofer IOF designte System das bisher kleinste seiner Art.«

Genau diese kompakte Bauweise ist es, die einen entscheidenden Vorteil für die Quantenkommunikation im Weltraum bietet, denn: Bei der Beförderung von Technologie und Mensch ins All zählt jedes Gramm Gewicht – desto kleiner und leichter, umso besser. Das hat den Einsatz von CubeSats beliebt gemacht. CubeSats sind Satelliten aus der Kategorie der Nano- oder Mikrosatelliten. Aufgrund ihrer minimalen Stellfläche werden sie häufig als Sekundärlast auf größeren Startmissionen mitgeführt. Gegenüber dem Start eines zusätzlichen Satelliten, lassen sich Technologien auf diese Weise effizienter und kostengünstiger in den Weltraum befördern. Vor diesem Hintergrund haben die CubEniK-Forschenden es sich zum Ziel gesetzt, die fertige Gesamteinheit zur QKD in kleinstmöglicher Form zu verpacken, sodass sie als Teil einen solchen CubeSats möglichst sparsam in den Weltraum gelangen kann.

Ziel des CubEniK-Systems ist es, während eines einzelnen Satellitenüberflugs in einer niedrigen Erdumlaufbahn einen sicheren Quantenschlüssel mit einer Länge von 256 Bit an zwei, 300 Kilometer voneinander entfernte Bodenstationen in Jena und Oberpfaffenhofen bei München zu verschicken. Die so gesendete Schlüssellänge könnte zukünftig als Hauptschlüssel in Hochsicherheitsmodulen verwendet werden und somit die Datensouveränität in sensiblen Bereichen wie der Finanzindustrie oder in Regierungsbehörden sichern.

Komponenten und Funktionsweise des CubEniK-Systems
Neben dem Fraunhofer IOF gehören dem CubEniK-Forschungskonsortium auch zwei Fraunhofer-Ausgründungen – die Quantum Optics Jena GmbH und SPACEOPTIX GmbH – sowie das Zentrum für Telematik aus Würzburg und die DIGOS GmbH aus Potsdam an. Die Forschenden des Fraunhofer IOF haben das optomechanische Design der Nutzlast entwickelt. Neben zwei Teleskopen, die auf einer Standardtechnologie der SPACEOPTIX basieren, besteht das CubEniK-System außerdem aus einer Feinausrichtung (engl.: fine pointing assembly, FPA), einem Faserkoppler und einer Strahlnachführung (engl.: coarse pointing assembly, CPA), die in einem zusätzlich entworfenen Raum in der Teleskopumhüllung untergebracht sind. »Die FPA und CPA dienen dazu, den ausgesandten Strahl auf die Bodenstationen auszurichten und diese Verbindung zu stabilisieren«, erklärt Fraunhofer-Forscher Daniel Heinig, der das Projekt am Institut in der Abteilung Zukunftstechnologien begleitet. »Das Ausrichten dieses Strahls geschieht mithilfe eines piezogesteuerten Tip-Tilt-Spiegels für die präzise Steuerung und durch zwei drehbare Keilprismen, die in der Grobjustierungseinheit verbaut sind und den Strahl um bis zu 11 Grad neigen.« Somit kann sich der Satellit, in dem die Einheit verbaut wird, besonders genau auf die Bodenstationen ausrichten.

Zusätzlich zu den Teleskopen und den Justierungseinheiten nutzt CubEniK eine handtellergroße und raumflugtaugliche Photonenquelle, die ebenfalls am Fraunhofer-Institut in Jena entwickelt wird. Diese muss pro Sekunde viele Millionen verschränkte Photonenpaare erzeugen, um während des Satellitenüberflugs eine sichere Kommunikation zu ermöglichen und den hochsicheren Schlüssel an die Bodenstationen durch die abschwächende Atmosphäre zu übertragen.

Über das Fraunhofer IOF
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena betreibt anwendungsorientierte Forschung auf dem Gebiet der Photonik und entwickelt innovative optische Systeme zur Kontrolle von Licht – von der Erzeugung und Manipulation bis hin zu dessen Anwendung. Das Leistungsangebot des Instituts umfasst die gesamte photonische Prozesskette vom opto-mechanischen und opto-elektronischen Systemdesign bis zur Herstellung von kundenspezifischen Lösungen und Prototypen. Am Fraunhofer IOF erarbeiten knapp 500 Mitarbeitende das jährliche Forschungsvolumen von 40 Millionen Euro.

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• Quantenkommunikation im Weltraum?

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Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF 5. April 2023.

Jena / Oberkochen / Stuttgart / Kourou (Französisch-Guayana) / 5. April 2023 – Mit ihrer Mission JUICE startet die ESA am 13. April zur Erkundung des Jupiters und seiner Monde. Mit an Bord der Raumsonde ist das Messinstrument GALA. Mit Hilfe von Laserpulsen soll es die Oberfläche des erdähnlichen Mondes Ganymed vermessen. Entwickelt wurde das Instrument von Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena gemeinsam mit der Firma HENSOLDT Optronics. GALA wird das erste »Deep-Space-Laseraltimeter« sein, das in circa einer Milliarde Kilometern Entfernung von der Erde zum Einsatz kommt.

Er ist der größte Planet unseres Sonnensystems und trägt daher passend den Namen des griechischen Göttervaters: der Jupiter. Umkreist wird er von nicht weniger als 92 Monden, wobei immer wieder neue Trabanten von Forschenden entdeckt werden. Speziell der mit Eis bedeckte Mond Ganymed ist im Blick der Wissenschaftler/-innen, da er eine besondere Ähnlichkeit zur Erde aufweist.

Um Ganymed, aber auch die Monde Kallisto und Europa sowie den Jupiter selbst, genauer zu erforschen, startet die Europäische Weltraumbehörde (ESA) voraussichtlich am 13. April eine Raumsonde in Richtung des Riesenplaneten, den »Jupiter Icy Moons Explorer« – kurz: JUICE. Um dort seinem Forschungsauftrag gerecht zu werden, befinden sich insgesamt zehn wissenschaftliche Instrumente an Bord der Raumsonde. Eines davon ist das »Ganymed Laser Altimeter«, auch GALA genannt, das von Forschenden aus Jena mitentwickelt wurde. Das Instrument soll die geografische Beschaffenheit des Jupitermondes vermessen.

Erfoschung des Jupitermondes Ganymed mittels Laser Altimetrie
»Im Rahmen der JUICE-Mission kommt erstmals ein Laseraltimeter als hochgenaue Metalloptik zur Erforschung des Jupiter-Eismondes Ganymed zum Einsatz«, erklärt Dr. Stefan Risse, Leiter der Abteilung Präzisionsoptische Komponenten und Systeme am Fraunhofer IOF. »Mit einem Laseraltimeter können Entfernungen auch über sehr weite Distanzen sehr präzise gemessen werden«, führt er weiter aus. »Wir hoffen damit neue, grundlegende wissenschaftliche Erkenntnisse über die Topografie des Jupitermondes Ganymed und zur Frage der Entstehung gewinnen zu können«, so der Forscher.

Um diese aufschlussreichen Informationen zu sammeln, sendet GALA von einer Umlaufbahn um Ganymed – also aus circa 500 Kilometern Entfernung – Laserpulse auf den Mond und empfängt das reflektierte Licht. Aus der Laufzeit des Pulses lässt sich der Abstand zur Mondoberfläche bestimmen und daraus die Topografie errechnen. Dazu wird eine hochpräzise Laser-Empfangs-Einheit benötigt. Diese wurde vom Fraunhofer IOF in Jena gemeinsam mit der Firma HENSOLDT Optronics GmbH aus Oberkochen realisiert. Das Fraunhofer IOF entwickelte dafür ein spezielles Spiegelteleskop, das die von der Mondoberfläche zurückgeworfenen Laserpulse auffängt. Auf diese Weise kann GALA die Topographie des Jupitermondes mit einer Auflösung von weniger als 10 Zentimetern vermessen.

Eine besonders wichtige Frage, auf die GALA zukünftig eine Antwort geben könnte, ist dabei, ob es Wasservorkommen auf Ganymed gibt: »Die Messung mit GALA findet an unterschiedlichen Orbit-Positionen des Mondes Ganymed im Bezug zum Jupiter statt«, erläutert in diesem Zusammenhang Dr. Henrik von Lukowicz, Leiter der Arbeitsgruppe Präzisionssysteme am Fraunhofer IOF. »Würde sich Wasser unterhalb der Oberfläche befinden, würden die Gezeitenkräfte in Folge der Bewegung des Mondes zu einer Deformation der Oberfläche führen. Das bedeutet: GALA könnte unter Umständen sogar die Existenz von Wasser nachweisen.«

GALA ist das erste Deep-Space-Laseraltimeter
Das Laseraltimeter GALA wird weltweit das erste Deep-Space-Laseraltimeter sein, das in circa einer Milliarde Kilometer Entfernung von der Erde zum Einsatz kommt. Die Mission wird mehr als zehn Jahre dauern: acht Jahre braucht die Sonde JUICE zunächst, um in einer Umlaufbahn um den Jupiter anzukommen. Die anschließenden drei Jahren sind für die Erforschung der Jupitermonde Europa, Kallisto und Ganymed sowie des Jupiters vorgesehen.

»Auf dem Weg zum Jupiter muss das von uns entwickelte optische Teleskop im Ultrahoch-Vakuum mit extremen Umweltbedingungen zurechtkommen, die durch enorme Beschleunigung beim Raketenstart, hohe Temperaturwechsel und sehr starker kosmischer Strahlung gekennzeichnet sind«, erläutert Dr. von Lukowicz die besonderen Anforderungen an die optischen Bauteile im Weltall. »Durch die exzellenten opto-mechanischen Eigenschaften wird es möglich sein, auch unter diesen anspruchsvollen Bedingungen die Eismonde des Jupiters zu erforschen.«

Die JUICE-Mission soll voraussichtlich am 13. April, spätestens aber am 15. April 2023 vom ESA-Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana starten. Trägerrakete für den Start wird die Ariane 5 sein.

Ausgezeichnete Kooperation zwischen Forschung und Industrie
Das gesamte GALA-System wurde unter Leitung des DLR-Instituts für Planetenforschung entwickelt und gebaut. Neben HENSOLDT Optronics GmbH aus Oberkochen in Baden-Württemberg und dem Fraunhofer IOF aus Thüringen sind weitere Partner aus Deutschland, aber auch Japan, der Schweiz und Spanien beteiligt.

Für die wissenschaftliche und unternehmerische Partnerschaft speziell zwischen der Firma HENSOLDT und dem Fraunhofer IOF wurden die beteiligten Teammitglieder im November 2021 mit dem Lothar Späth Award ausgezeichnet. Die Lothar-Späth-Stiftung verleiht die Auszeichnung an kooperativ entstandene, herausragende Innovationen bei Produkten, Verfahren und Dienstleistungen in Baden-Württemberg und Thüringen.

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• JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) auf Ariane 5 ECA

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Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik 9. März 2023.

9. März 2023 – Die neue Hardware soll eines Tages Grundlage eines europäischen Satellitennetzes werden. Am Fraunhofer IOF wird zu diesem Zweck speziell eine miniaturisierte Quelle zur Erzeugung verschränkter Lichtteilchen im Telekommunikations-Wellenlängenbereich aufgebaut werden.

Mit verschränkten Lichtteilchen in Europa praktisch abhörsicher kommunizieren – für dieses Ziel setzt sich ein internationales Team aus EU-Forschenden ein. Gemeinsam wollen sie im Rahmen des neuen Projektes QUDICE Komponenten und Systeme für eine weltraumgestützte Quantenschlüsselverteilung entwickeln. Auf diese Weise will QUDICE einen entscheidenden Beitrag leisten, um eines Tages ein europäisches Netzwerk aus Satelliten zur quantengestützten Kommunikation realisieren zu können. Ein solches Netz soll gezielt die Privatsphäre europäischer Institutionen, Unternehmen sowie Bürgerinnen und Bürger schützen und gleichzeitig die Unabhängigkeit Europas von kritischen (Quanten-)Technologien aus dem Ausland stärken.

Kompakte und hocheffiziente Photonenpaarquelle für den Einsatz im All
Am Fraunhofer IOF in Jena wird im Rahmen von QUDICE dabei eine miniaturisierte, weltraumtaugliche Polarisations-verschränkte Photonenpaarquelle (engl.: »Entangled Photon Source«, kurz: EPS) im Telekommunikations-Wellenlängenbereich aufgebaut werden. Diese soll später in einen Satelliten integriert werden. Für den Einsatz im Weltraum muss die Photonenpaarquelle daher besondere Anforderungen erfüllen: Zum Beispiel muss sie besonders klein und kompakt gebaut sein. Angestrebt wird eine Größe ähnlich einem Milchkarton.

Die Forschenden des Fraunhofer IOF müssen daher sämtliche Einzelkomponenten der Quelle miniaturisieren und auf mehreren Chips integrieren. Weiterhin muss sie starken Vibrationen sowie großen Temperaturschwankungen standhalten können, wie sie beim Start des Satelliten auf seinem Weg ins Weltall auftreten. Die Photonenpaarquelle wird daher auf den jüngsten Fortschritten in der nichtlinearen Optik und Technik basieren. Das Ziel der neuen Quelle ist es, 10⁹ Paare verschränkter Lichtteilchen pro Sekunde und eine Bitrate zu erreichen, die den derzeitigen Stand der Technik um mehrere Größenordnungen übertrifft.

Bei der Herstellung der Photonenpaarquelle in weltraumtauglicher Qualität wird das Fraunhofer IOF eng mit dem Institute of Photonic Sciences (ICFO) aus Spanien – einem von zwölf Partnern im Projekt QUDICE – zusammenarbeiten. Gemeinsam werden die Institute ein neuartiges Design für die verschränkte Photonenquelle entwickeln, welches die Integration der Komponenten und damit einen besonders kompakten Aufbau ermöglicht. Zu diesem Zweck wird das ICFO spezifische Subsysteme für jede gewählte QKD-Implementierung entwerfen, während das Fraunhofer IOF diese umsetzt. Anschließend wird das Fraunhofer-Institut in Jena alle opto-elektronischen Komponenten charakterisieren, während das ICFO die QKD-Implementierungen durchführt.

Technologische Souveränität Europas in den Quantentechnologien stärken
Bereits 2019 wurde mit einer Vereinbarung zwischen der EU-Kommission und der Europäischen Weltraumorganisation ESA der erste Schritt zur Entwicklung einer hochsicheren paneuropäischen Infrastruktur für mehr Datensicherheit genommen. Die Quantenschlüsselverteilung stellt hierbei eine entscheidende Basistechnologie dar. QUDICE soll die entsprechende Forschungs- und Entwicklungsarbeit vorantreiben. Das Projekt wird daher von der Europäischen Union im Rahmen des Programmes »Horizont Europa« mit 4,3 Millionen Euro gefördert. 450.000 Euro fließen davon in die Arbeit am Fraunhofer IOF in Jena.

Die Realisierung des Projektziels erfordert Fachwissen aus einer Vielzahl von Bereichen – von der Quantenphysik über den Maschinenbau und die optische Technik bis hin zur Funkkommunikation, Satellitentechnik und Raumfahrttechnik. Durch die Zusammenarbeit von weltweit führenden Forschungseinrichtungen sowie Technologieentwicklern und -herstellern, aber auch Systemintegratoren wird ein interdisziplinäres Konsortium gebildet, in dem sich führende Expertinnen und Experten aus ihren jeweiligen Fachgebieten versammeln.

Zu den Partnern des QUDICE-Projektes gehören neben dem Fraunhofer IOF: University of Padova, ThinkQuantum SRL, Stellar Project SRL, Argotec, Thales Alenia Space (alle Italien), The Institute of Photonic Sciences ICFO, Quside SL, Sateliot IOT Services SL (alle Spanien), Centre National de la Recherche Scientifique, Sorbonne Université (alle Frankreich), L-Università ta‘ Malta (Malta).

Forschende des Fraunhofer IOF haben bereits wiederholt den Austausch von Quantenschlüsseln auf verschiedenen Wegen und Distanzen demonstriert, z. B. mittels Freistrahl innerhalb einer Stadt oder über im Boden verlegte Glasfasern zwischen verschiedenen Metropolregionen. Der Quantenschlüsselaustausch mittels Satelliten ermöglicht jedoch auch die Anbindung von Gebieten, bei denen eine Faseranbindung nicht oder nur begrenzt möglich ist, z. B. Offshore. Weiterhin bietet der weltraumgestützte Quantenschlüsselaustausch ein echtes Back-up im Fall einer Naturkatastrophe, bei der faserbasierte Infrastrukturen zerstört würden, oder eines umfassenden Netzausfalls.

FAQ: Fragen und Antworten rundum Quanten(-kommunikation)
Was sind Quanten überhaupt?
Die Welt ist eine Quantenwelt. Soll heißen: Alles besteht aus Quanten, sofern wir uns nur hinreichend kleine Systeme anschauen. Denn Quanten sind die kleinsten und unteilbare Einheiten, die physikalische Wechselwirkungen hervorrufen. Auch Photonen, also Lichtteilchen, sind demnach winzige Quantenobjekte.

Diese Quantenobjekte besitzen faszinierende Eigenschaften, die sich Forschende bei der Entwicklung von modernsten Quantentechnologien zu Nutze machen. Eine besondere Eigenschaft ist dabei die Verschränkung von Quantenobjekten. Verschränkung bedeutet hier, dass Paare miteinander verschränkter Teilchen (z. B. Photonen) erzeugt werden. Ein jedes Teilchen weiß dabei stets um den exakten Zustand seines »Zwillings« – selbst dann, wenn dieser weit entfernt ist.

Wie können wir mithilfe von Quanten unsere Daten bzw. Kommunikation schützen? Und was sind in diesem Zusammenhang Quantenschlüssel bzw. QKD?
Unsere moderne Welt ist hochvernetzt und deswegen in besonderem Maße anfällig für Cyberangriffe. Attacken z. B. auf kritische Infrastrukturen wie etwa Atomkraftwerke können dabei nicht nur sensible Daten, sondern potenziell Leben gefährden. Derzeit werden unsere Kommunikationssysteme mit kryptografischen Algorithmen verschlüsselt, die auf der Lösung bestimmter numerischer Probleme basieren. Das zu erwartende Aufkommen des Quantencomputers – d. h. Hochleistungsrechner der nächsten Generation, die Rechenaufgaben, für die konventionelle Rechner mehrere Jahre brauchen würden, binnen Sekunden lösen können – sowie mögliche Durchbrüche in der Mathematik gefährden die Sicherheit dieser Methode jedoch nachhaltig.

Aus diesem Grund bedarf es neuer Ansätze, um schon heute die langfristige Sicherheit unserer Daten sicherzustellen. Die Kommunikation mithilfe von Quanten verspricht hier ein völlig neues Maß an Sicherheit. Im Gegenzug zu konventionellen Kryptografie-Verfahren basiert die Quantenkryptografie auf physikalischen Prinzipien. Die technologische Grundlage dafür ist der sogenannte Quantenschlüsselaustausch, auf Englisch »Quantum Key Distribution«, kurz: QKD. Die QKD ermöglicht die gemeinsame Nutzung von Zufallsschlüsseln zwischen legitimen Nutzern, indem es besondere Sicherheit auf der Grundlage der Gesetze der Quantenmechanik und nicht auf der Rechenleistung eines Gegners garantiert.

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• Quantenkommunikation im Weltraum

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Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik 17. Oktober 2022.

17. Oktober 2022 – Auf kurzen Distanzen sind verschränkte Photonen bereits in verschiedenen Experimenten erfolgreich ausgetauscht worden. Doch der interkontinentale und damit potenziell globale Austausch ist nach wie vor eine Herausforderung. Dem stellt sich das neue Forschungsprojekt HYPERSPACE. Gemeinsam wollen Forschende aus Europa und Kanada hier die Grundlage für eine kanadisch-europäische Verbindung schaffen. Die strategische Zusammenarbeit richtet ihr Augenmerk dabei auf die Erforschung integrierter Quantenphotonik sowie optischer Weltraumkommunikation zugunsten eines satellitengestützten Quantennetzwerkes zwischen den Kontinenten.

Verschränkungsverteilung im Weltraum
Weltweit gibt es immer wieder Experimente, um verschränkte Photonen über möglichst weite Distanzen auszutauschen, z. B. mittels Freistrahl durch die Luft oder über im Boden verlegte Glasfasern. Allerdings schränken das Detektorrauschen sowie die unvermeidlichen Verluste bei einer faserbasierten Übertragung die Reichweite terrestrischer Übertragung derzeit noch auf einige hundert Kilometer ein. In Zukunft könnten sogenannte Quanten-Repeater Verschränkungen auch über längere Faserstrecken ermöglichen. Jedoch stehen Forschende noch vor einer Vielzahl technologischer Herausforderungen bis eine hinreichende Steigerung der Reichweite, wie sie für ein globales Netzwerk nötig wäre, möglich wird. Die Lösung: der direkte Austausch von verschränkten Photonen im Weltraum via optischer Satellitenverbindungen.

Das übergreifende Ziel von HYPERSPACE ist es daher, die satellitengestützte Quantenkommunikation anhand von Experimenten zu skalierbaren globalen Quantennetzwerken weiterzuentwickeln. Zu diesem Zweck umfasst HYPERSPACE die Forschung und Innovation entlang der gesamten Prozesskette der photonischen Quantenkommunikation: von der rauschresistenten Zustandscodierung über vollständig fasergebundene und photonisch integrierte Quantenlichtquellen sowie freiraumkompatible Zustandsanalysatoren bis hin zur Implementierung fortgeschrittener Protokolle, die durch die Nutzung der Verschränkung in mehreren Freiheitsgraden – der so genannten Hyperverschränkung – erleichtert oder sogar erst ermöglicht werden.

Acht Partner aus Europa und Kanada
An dem Projekt sind insgesamt acht Partner aus Europa und Kanada beteiligt: Neben dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF sind dies die Università degli Studi di Pavia und Università degli Studi di Padova (beide Italien), das Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives CEA-LETI (Frankreich), die Technische Universität Wien (Österreich), das Institut National de la Recherche Scientifique sowie die University of Toronto und University of Waterloo (alle Kanada). Koordiniert wird das Forschungsvorhaben durch das Fraunhofer IOF in Jena.

Das Projekt wird von der Europäischen Kommission (im Rahmen des Programmes Horizont Europa) sowie dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) mit 2,8 Millionen Euro kofinanziert. 300.000 Euro davon fließen an das Fraunhofer IOF.

Anwendungen in Informationstechnik und Sensorik
Die Quantenverschränkung, die einst von Albert Einstein noch als »spukhafte Fernwirkung« beschrieben wurde, gilt heute als Schlüsselressource für neuste Anwendungen in der Informationsverarbeitung und Sensorik. Ein globales Quanteninternet kann deutlich verbesserte, bisher sogar undenkbare Anwendungen ermöglichen, wie z. B. eine präzisere Synchronisation von Uhren, ein hocheffizientes Cloud-Computing oder auch eine hochsichere Datenübertragung mittels Quantenkryptographie.

Im Gegensatz zu konventionellen Kryptographie-Verfahren, die Sicherheit durch den mit einer Entschlüsselung verbundenen Rechenaufwand gewähren, basiert die Sicherheit der Quantenkryptographie auf physikalischen Prinzipien.

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• Quantenkommunikation im Weltraum

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Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft 1. August 2022.

1. August 2022 – Am 1. April 2022 um 18:24 Uhr mitteleuropäischer Zeit war es soweit: Der deutsche Umweltsatellit »EnMAP« – kurz für »Environmental Mapping Analysis Program« – startete vom US-Raumflughafen Cape Canaveral seine Reise ins All. Von dort aus soll er fünf Jahre lang die Erde analysieren und u.a. Daten zu Klimawandelauswirkungen, der Verfügbarkeit und Qualität von Wasser oder Änderungen der Landnutzung liefern. Die ersten Daten, die der Satellit zur Erde sandte, stammten vom Bosporus: Analysiert wurde das Frequenzspektrum, das typisch für Algenanreicherungen im Wasser ist. Auf diese Weise wollen Forschende die Algenwanderung und den Algenbesatz untersuchen. Möglich werden solcherlei Analysen unter anderem durch Fraunhofer-Technologie in gleich zweifacher Ausführung.

Herzstück des Satelliten: Ein Doppelspalt aus dem Fraunhofer IMM
Für seine Analysen detektiert der Satellit das Licht der Sonne, das von der Erde reflektiert wird. Allerdings ist der Wellenlängenbereich von 420 bis 2420 Nanometer, also vom sichtbaren Licht bis ins tiefe Infrarot, zu groß, um ihn mit nur einem Spektrometer aufzunehmen. Hier hilft eine Technologie des Fraunhofer IMM. »Wir haben einen hochpräzisen Doppelspalt gefertigt, der das einfallende Licht in zwei Detektoren lenkt«, erläutert Stefan Schmitt, Gruppenleiter am Fraunhofer IMM in Mainz. Da die beiden Spalte naturgemäß räumlich ein wenig voneinander entfernt sind, blicken sie nicht auf die gleichen Stellen der Erde. »Es dauert also den Bruchteil einer Sekunde, bis der zweite Spalt dieselbe Stelle der Erde betrachtet wie der erste«, sagt Schmitt. Dieser Versatz muss genauestens bekannt sein, um die Aufnahmen überlagern zu können und die gewünschte Auflösung von 30 Metern zu erreichen.

Der Clou liegt zum einen in der äußerst präzisen Fertigung des Doppelspalts, was nur mit Siliziumtechnologie möglich ist. »Zwar sind die Techniken, über die wir am Institut verfügen, recht gut geeignet, um diese Anforderungen zu erfüllen, dennoch gab es zahlreiche herausfordernde Details«, erinnert sich Schmitt. Beispielsweise erwiesen sich die anfangs rechteckigen Spalte mechanisch als nicht stabil genug. Die Forscherinnen und Forscher fertigten daher Spalte mit einem gestuften Querschnitt. »Trotz umfangreicher Simulationen und Analysen unserer Partner mussten wir das Design und weitere Anforderungen während der laufenden Prozessphase ändern. Solche Dinge passieren gelegentlich, wenn man Neuland betritt, aber wir sind darauf vorbereitet«, sagt Schmitt. Auch weitere Komponenten der Baugruppe – etwa zur Lichtumlenkung oder zur Unterdrückung von Streulicht – mussten die Forschenden mit höchster Präzision aus weltraumgerechten Materialien wie Aluminium, Edelstahl, Nickel und Invar fertigen, deren Eigenschaften präzise vermessen und dokumentiert wurden. Trickreich war zudem der Zusammenbau der Baugruppe mit dem Doppelspalt. »Die Toleranzen waren kleiner als fünf Mikrometer, also kleiner als ein Zehntel eines Haars«, erläutert Schmitt. All dies ist hervorragend gelungen.

Leicht und präzise: Metallspiegel aus dem Fraunhofer IOF
Auch das Fraunhofer IOF brachte seine Expertise in den Satelliten ein: Als einer der besten Metalloptik-Entwickler der Welt wurden alle Metallspiegel der EnMAP-Optik am IOF hergestellt. »Für Weltraumanwendungen müssen die Spiegel nicht nur eine extrem glatte Oberfläche aufweisen und äußerst präzise geformt sein, sondern auch ein möglichst geringes Gewicht aufweisen«, sagt Dr. Stefan Risse, Projektleiter am Fraunhofer IOF in Jena. »Dabei konnten wir die Anforderungen sogar übertreffen: Statt der geforderten Rauheit von 1 Nanometer RMS (Root Mean Square) weisen unsere Metallspiegel, im Weißlicht (Vergrößerung 50x) gemessen, eine Rauigkeit von weniger als 0,5 Nanometer RMS auf. Auch die zulässige Formabweichung konnten wir nicht nur auf 18 Nanometer RMS, sondern zum Teil sogar auf unter 10 Nanometer RMS genau einhalten.« Dazu nutzten die Forscherinnen und Forscher Aluminium, auf das sie eine röntgenamorphe Metalllegierung aus Nickel und Phosphor abschieden. Diese Dickschicht hat strukturell ähnliche Eigenschaften wie Glas und lässt sich mit Diamantwerkzeugen sehr gut bearbeiten und brillant polieren. Was die finale Form der Metallspiegel angeht, so stellte das Forscherteam diese durch Korrekturverfahren wie das Ionenstrahlpolieren (IBF, eng. Ion Beam Figuring) ein.

Ein weiteres wichtiges Qualitätsmerkmal der Spiegel neben der geringen Oberflächenrauigkeit ist ihr Leichtgewicht. Auch hier punktete das Verfahren des Fraunhofer IOF. »Wir konnten die Masse über ein von uns patentiertes Verfahren um mehr als 40 Prozent reduzieren – mittlerweile sind durch den Einsatz von additiven Verfahren bereits bis zu 70 Prozent Einsparung möglich«, sagt Risse. Das gelang dem Team, indem es die Struktur des Spiegels wie ein Kapitell in einer Kirche anlegte: Kreuzungsbohrungen, die orthogonal aufeinandertreffen, verbinden die Vorder- und Rückseite des Spiegels, die entstehende Säulenstruktur stützt die Flächen. Vorder- und Rückseite des Spiegels sind geschlossen, was dem Element eine große mechanische Steifigkeit verleiht. Insgesamt stellte das Team elf ultrapräzise Metallspiegel inklusive hochreflektiver Silber- und Goldschichten für »EnMAP« her und vergütete zudem die Glasoptiken, wobei auf das Glas eine dünne Schicht mit geringerer Brechkraft aufgebracht wurde.

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• EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program) auf Falcon 9

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Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik 5. Mai 2022.

5. Mai 2022 – Insgesamt elf Spiegel sowie diverse optische Schichten für Teleskop- und Spektrometer-Optiken wurden dafür am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena hergestellt. Einen Monat nach dem Start liegen nun die ersten Aufnahmen aus dem All vor.

Es ist eine der wichtigsten Fragen unserer Zeit: Wie können wir unsere Umwelt und unser Klima besser schützen? Antworten darauf soll eine neue deutsche Satellitenmission liefern: Das »Environmental Mapping and Analysis Program« – kurz: EnMAP – ist der erste deutsche Hyperspektral-Satellit. Die Mission wird vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geführt.

Ziel ist die Bereitstellung exzellenter Bilder kombiniert mit Spektraldaten, um diagnostische Informationen über den Zustand unserer Erde und Gewässer, zu sammeln. Auch die Auswirkungen menschlicher Eingriffe auf Ökosysteme kann damit betrachtet und die Verwaltung natürlicher Ressourcen, z. B. in der Landwirtschaft, erleichtert werden.

Am 1. April 2022 ist der EnMAP-Satellit vom Gelände der Cape Canaveral Space Force Station in Florida aus mit einer SpaceX Rakete Falcon 9 erfolgreich ins Weltall gestartet. Mit an Bord: Metallspiegel, hergestellt und optisch vergütet am Fraunhofer IOF in Jena.

Fraunhofer IOF lieferte Metallspiegel für das EnMAP-Messinstrument
Aus ca. 650 Kilometern Entfernung soll der Satellit in den nächsten fünf Jahren unsere Erde beobachten – und das auf 242 Spektralkanälen. Sein zentrales Messinstrument ist dabei der sogenannte Hyperspectral Imager (HSI). Er ist in der Lage, die von der Erdoberfläche reflektierte Sonnenstrahlung als kontinuierliches Spektrum im Spektralbereich von 420 nm bis 2.450 nm zu messen, mit einer spektralen Abtastung von 6,5 nm (VNIR) und 10 nm (SWIR). Gleichzeitig liefert das abbildende Spektrometer brillante Bilder mit einer räumlichen Auflösung von 30 m x 30 m auf der Erde.

»Für den HSI haben wir am Fraunhofer IOF insgesamt elf plane, sphärische und asphärische Metallspiegel entwickelt. Die Entwicklung beinhaltete dabei das Spiegeldesign bis hin zur Herstellung und die Vergütung der Spiegel sowie die Charakterisierung mit optischen und taktilen Messverfahren«, erklärt Dr. Stefan Risse, Leiter des Projektes am Fraunhofer IOF.

Anwendung finden die Spiegel im visuellen sowie infraroten Spektralbereich. Die Herstellung erfolgte daher durch die Kombination von ultrapräzisen Verfahren der Diamantbearbeitung mit Poliertechniken zur lokalen Formkorrektur und Glättung der Oberflächenrauheit. Abschließend wurden die optischen Flächen mit Vergütungsschichten – geschütztes Silber für den visuellen Spektralbereich und gesputtertes Gold für den infraroten Spektralbereich – versehen.

»Eingesetzt werden Metallspiegel aus einer Aluminiumlegierung kombiniert mit einer röntgen-amorphen Dickschicht aus Nickel-Phosphor. Damit konnten modernste Verfahren der Optikfertigung auch für Metalloptiken angewendet werden. Im Ergebnis wurden Spiegel mit einer Mikrorauheit von kleiner 0,8 nm rms und Formgenauigkeiten von kleiner 12 nm rms erreicht«, so der Forscher weiter.

EnMAP sendet erste Aufnahmen aus dem All
Hyperspektrale Analysen zerlegen das Licht in viele, eng beieinanderliegende Wellenbereiche. So tut es auch der HSI an Bord von EnMAP: Er betrachtet das Sonnenlicht, das von Materialien auf der Erdoberfläche reflektiert wird. Da jedes Material dabei seine eigene Art und Weise hat, Licht zurückzuwerfen, entsteht eine sehr spezifische, farbige Spektralsignatur, die für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Nicht umsonst beansprucht EnMAP daher das Motto für sich, »unsere Erde in mehr als allen Farben« sehen zu können.

Einen Monat nach dem Start hat EnMAP nun die ersten Aufnahmen aus dem All nachhause geschickt. Sie zeigen einen Streifen von etwa 30 Kilometern Breite und 180 Kilometern Länge über Istanbul am Bosporus in der Türkei. Die Daten wurden über die DLR-Bodenstation in Neustrelitz zur Erde gesendet. In weiteren fünf Monaten soll die Mission planmäßig in die operationelle Phase übergehen. Dann können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beginnen, Daten über spezielle Gebiete der Erde zu sammeln.

»Das abbildende Hyperspektralinstrument der EnMAP-Mission wurde in Verantwortung des DLR mit deutscher Technik realisiert und bildet aktuell in seiner spektralen Breite und exzellenten Abbildungsqualität eine Instrumentierung der Spitzenklasse«, erklärt Prof. Dr. Andreas Tünnermann, Leiter des Fraunhofer IOF. »Ultrapräzise Optiken des Fraunhofer IOF haben dabei einen entscheidenden Anteil. EnMAP liefert einen ganz herausragenden Beitrag, um Deutschland und die Welt auf die Herausforderungen des Klimawandels vorzubereiten. Als Fraunhofer IOF sind wir daher sehr stolz darauf, Teil dieser zukunftsweisenden Mission zu sein.«

Partner der deutschen Umweltmission EnMAP
Die Umweltmission EnMAP wird von der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geführt. Mit der Entwicklung und dem Bau des Satelliten sowie des Hyperspektralinstrumentes wurde die OHB-System AG beauftragt. Die Mission steht unter der wissenschaftlichen Leitung des GeoForschungszentrums Potsdam (GFZ).

Mit dem Aufbau und dem Betrieb des Bodensegments sind drei Institute und Einrichtungen des DLR beauftragt worden: Das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum in Oberpfaffenhofen wird den Satellitenbetrieb durchführen und überwachen. Das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum und das DLR-Institut für Methodik der Fernerkundung werden die empfangenen Satellitendaten archivieren, prozessieren, validieren und für die Wissenschaft zugänglich machen. Auch Firmen und Behörden werden die Daten ausprobieren und damit künftige Services vorbereiten. Die zukünftige Nutzung der EnMAP-Hyperspektraldaten durch Universitäten und wissenschaftliche Einrichtungen und die Entwicklung von speziellen Anwendungen werden durch BMWK-Förderprogramme unterstützt.

Die Spiegel wurden am Fraunhofer IOF im Auftrag der OHB System AG hergestellt.

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• EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program) auf Falcon 9

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Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF.

Jena / Freiburg im Breisgau / 8. November 2021 – Gemeinsam haben Forschende aus Jena und Freiburg ein neuartiges Spiegelteleskop für den Einsatz auf der Internationalen Raumstation ISS entwickelt. Die Erkenntnisse, die das Messinstrument dort in Zukunft liefern wird, sollen unter anderem Antworten auf den Klimawandel liefern und eine effiziente Nutzung von Wasser in der Landwirtschaft ermöglichen. Im Februar 2022 wird das Instrument seine Reise ins Weltall antreten. Gefördert wurde die Entwicklung des Teleskops vom »Digital Innovation Hub Photonics«, einer thüringischen Initiative zur Förderung von Gründungsvorhaben im Bereich Optik und Photonik.

Der Klimawandel stellt uns vor riesige Herausforderungen. Der Umgang mit der Ressource Wasser ist eine davon. Um in Zukunft ein ressourcenschonenderes Wirtschaften, insbesondere in der Landwirtschaft, zu ermöglichen, haben die Fraunhofer-Institute für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF aus Jena und das Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI, aus Freiburg gemeinsam mit den Unternehmen SPACEOPTIX und ConstellR – beides Ausgründungen aus der Fraunhofer-Gesellschaft – ein neuartiges Spiegelteleskop entwickelt. Das Teleskop ist Teil eines Messinstruments, das von der Internationalen Raumstation ISS aus künftig den Wasserkreislauf unseres Planeten vermessen wird. Dabei wird mithilfe einer Thermalinfrarotkamera die Landoberflächentemperatur der Erde vermessen. Das Messinstrument ist der Vorläufer einer Konstellation von sogenannten Mikrosatelliten, die in naher Zukunft noch umfangreichere Daten liefern sollen.

Neue Satellitenbilder liefern Antworten auf den Klimawandel
Satellitenbilder spielen schon heute eine große Rolle, wenn es darum geht, Informationen über die Ökosphäre unseres Planeten zu sammeln – und ihre Bedeutung wächst immer weiter: Diese aus dem All gewonnenen Daten geben beispielsweise Aufschluss über seine Geologie, Wetterphänomene oder landwirtschaftliche Produktionszyklen. Neue, aussagekräftige und vielfältige Daten aus der Erdbeobachtung sind durch die schwer vorhersagbaren Effekte des Klimawandels mittlerweile unverzichtbar, um Vorhersagen über beispielsweise Ernteerträge frühzeitig und zuverlässig treffen zu können.

Um solch aktuelle und genaue Informationen mit hoher räumlicher Auflösung und zeitlicher Abdeckung zu erhalten, werden globale und lokale Daten daher in naher Zukunft durch Schwärme von Satelliten, sogenannte Satellitenkonstellationen, gewonnen. Die Größe einer Satellitenkonstellation bewegt sich dabei zwischen zehn bis einigen Hundert baugleichen Satelliten.

Für eine kostengünstige Realisierung dieser Konstellationen wird ein Schwarm aus sehr kleinen Satelliten, sogenannte Mikrosatelliten von der Größe etwa eines Schuhkartons, bestehen. Diese sind dank der fortschreitenden Miniaturisierung der notwendigen Technik leistungs- und widerstandsfähig.

Enge Kooperation der Fraunhofer-Institute mit ihren Spin-offs
Mit der Realisierung einer Satellitenkonstellation im thermalen Infrarotspektrum hat sich das Freiburger Start-up ConstellR GmbH, eine Ausgründung aus dem Fraunhofer EMI, das Ziel gesetzt, eine relevante Lücke in der Erdbeobachtung zu schließen: »In diesem Spektralbereich lässt sich die Oberflächentemperatur als Schlüsselvariable in der Beschreibung unserer Umwelt sehr genau vermessen«, erklärt Marius Bierdel, CTO der ConstellR GmbH. »Dieses Wissen kann eingesetzt werden, um etwa den Wasserbedarf von Nutzpflanzen in der Landwirtschaft zu überwachen und damit genaue Ernteertragsvorhersagen zu treffen.«

Gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie wird, im ersten Schritt auf dem Weg zur geplanten Konstellation, die ConstellR-Technologie im Frühjahr 2022 auf der Internationalen Raumstation ISS eingesetzt. Unter anderem wird während der Mission der optische Teil des Messinstruments, bestehend aus einem Metallspiegelteleskop mit Freiformspiegeln, demonstriert. Das Teleskop wurde in Kooperation der Fraunhofer-Institute EMI und IOF sowie ihren Ausgründungen ConstellR GmbH und SPACEOPTIX GmbH realisiert.

Das Design des opto-mechanischen Teleskops wurde am Fraunhofer IOF entwickelt. »Das Institut verfügt über einen großen Erfahrungsschatz in der Entwicklung von Hochleistungsoptiken für den Einsatz im Weltraum«, sagt Dr. Matthias Beier, CEO der SPACEOPTIX GmbH. »Die Herstellung der Spiegel, der Teleskopstruktur sowie der mechanischen Strukturbauteile der opto-mechanischen Gesamtnutzlast erfolgte derweil in unseren eigenen Fertigungsräumlichkeiten. Als Spin-off des Fraunhofer IOF haben wir uns auf die Serienfertigung von Metalloptiken für Weltraumapplikationen spezialisiert.«

Gefördert wurde das Vorhaben zur Entwicklung des Teleskops vom Pilotprojekt »Digital Innovation Hub Photonics« (DIHP), einer vom Freistaat Thüringen geförderten Initiative zur Förderung von Gründungsvorhaben im Bereich Optik und Photonik. Der Leiter des DIHP, Dr. Sebastian Händschke, sagt: »Diese Kooperation und das nun vorliegende Ergebnis sind ein sehr gutes Beispiel für die Intention des DIHP und der Zusammenarbeit mit Ausgründungen.« Die beiden Start-ups ConstellR und SPACEOPTIX hatten beim zweiten Elevator Pitch des DIHP im Januar 2020 je 50 000 Euro Forschungsbudget gewonnen, welches nun für die Entwicklung des Freiformspiegelteleskops am Fraunhofer IOF eingesetzt wurde.

Von Jena nach Freiburg nach Texas – weiter ins Weltall
Nach erfolgreicher Integration und optischer Charakterisierung konnte das Teleskop im September 2021 in Jena an das Fraunhofer EMI und die Firma ConstellR übergeben werden.

Nach dem Transport nach Freiburg werden nun elektronische Komponenten sowie ein Detektor montiert und das gesamte Messinstrument Tests unterzogen. Der Transport zum Startort nach Houston in Texas, USA, ist für November 2021 geplant, bevor das Instrument dann am 19. Februar 2022 mit Flug NG-17 auf die Internationale Raumstation ISS fliegen wird.

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