Quelle: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT 24. Mai 2022.

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 1 m x 1 m x 1 m 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.

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Quelle: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT.

8. September 2021 – Mit dem Verfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) wurde erstmals ein neuer Präzisionsgreifarm aus Metallpulver in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Digital Additive Production DAP entwickelt und aufgebaut – für die Montage von Weltraumkomponenten im Reinraum ein Novum! Der Greifarm ist leichter als sein Vorgänger und doch stabil genug, um schwerere Laseroptiken ultragenau montieren und justieren zu können.

Lasersysteme für den Weltraumeinsatz

Vibrationstest und Klimakammer – das sind typische Stationen bei der Qualifizierung eines Lasersystems für den Weltraumeinsatz. Trotz höchster Belastungen müssen die Systeme mikrometergenau justiert bleiben, um im All sicher arbeiten zu können.
Am Fraunhofer ILT in Aachen wurde in den vergangenen Jahren die Montagetechnik für solche Lasersysteme entwickelt und immer weiter verbessert. Dabei arbeiten die Expertinnen und Experten des Fraunhofer ILT mit Partnern wie DLR, Airbus Defence and Space, TESAT Spacecom sowie der ESA zusammen, um komplexe optische Systeme zu bauen. Für den Aufbau dieser optischen Systeme werden modernste Technologien eingesetzt: Alle wesentlichen Justierschritte werden mit manuell geführten Robotern im Pick & Align-Verfahren vorgenommen. Ein zentrales Werkzeug ist der Greifarm. Er sitzt auf einem Hexapoden und positioniert die Bauteile mikrometergenau im optischen Aufbau. Dort werden sie auf wenige mikro-rad genau justiert und durch Löten fixiert. Der Aufbau des Greifarms ist entscheidend für die Präzision der Montage und gibt auch das maximale Gewicht der optischen Komponenten vor.

Mit bionischem Design und additiven Methoden zu mehr Tragkraft

Um die Leistungsfähigkeit der Aufbautechnologie weiter zu steigern, entwickelte das Fraunhofer ILT einen komplett neuen Greifarm. Nach seiner Konstruktion legten die Kolleginnen und Kollegen des Lehrstuhls für Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen University zudem die bionischen Strukturen so aus, dass bei kleinerem Eigengewicht seine Nutzlast vergrößert werden konnte. Gefertigt wurde der topologieoptimierte Greifarm schließlich via Laser Powder Bed Fusion (LPBF) ebenfalls am Lehrstuhl DAP. Dank einer speziellen Nachbearbeitung erreicht der Greifarm die Reinraumklasse ISO5. Das ist ein absolutes Novum – bislang verhinderte Restpulver an den Bauteilen den Einsatz additiver Methoden bei solchen Präzisionswerkzeugen im Reinstraum. Der neue Greifarm ist zweigeteilt mit einem statischen und einem beweglichen Teil. Zuleitungen für benötigte Medien sind zur Minimierung der Kontamination in den Greifarm integriert.

Für die Missionen der Zukunft

Dieses Präzisionswerkzeug bewegt deutlich schwerere Teile als das bislang eingesetzte Werkzeug, gleichzeitig ermöglicht es eine stabilere Justage. »Wir beschreiten mit dieser Technologie einen für uns neuen Weg. Es wird nicht erst konstruiert und dann geschaut, ob das Bauteil die gewünschten Eigenschaften hat, sondern die Bauteilgeometrie wird für die Belastungsszenarien optimiert«, beschreibt Michael Janßen, der seit Jahren am Fraunhofer ILT die Greifer für die Montage konstruiert, die Vorgehensweise.

Eingesetzt wird der neue Greifer im Rahmen von FULAS – einer universellen Technologieplattform, welche die Aachener zum Aufbau von Lasersystemen in Luft- und Raumfahrtprojekten entwickelt haben. »Wir haben in die Fertigung des neuen Greifers die Erfahrungen aus der gesamten FULAS-Entwicklung eingebracht« resümiert Projektleiter Heinrich Faidel vom Fraunhofer ILT die Aktivitäten. Ein System auf FULAS-Basis wird derzeit für die deutsch-französische Klimamission MERLIN (Methane Remote Sensing Lidar Mission) aufgebaut. Der Kleinsatellit MERLIN soll von Kourou, Französisch-Guayana, aus in den Weltraum befördert werden, um die Verteilung von Methan in der Erdatmosphäre zu kartieren. Kernkomponente des Satelliten ist ein LIDAR-Laser, der Lichtpulse in die Atmosphäre schickt und aus dem zurückgestreuten Licht die Methankonzentration bestimmt.

Treffen Sie unsere Expertinnen und Experten auf dem 15. Tag der Deutschen Luft- und Raumfahrtregionen am 29. September 2021 in Aachen.

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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