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 14. Dezember 2023.

14. Dezember 2023 – Die Erde gerät ins Schwitzen – buchstäblich. Die Jahre 2018 und 2022 gehörten zu den wärmsten seit Beginn der Wetteraufzeichnungen. Ein wichtiges Puzzlestück bei der Untersuchung der globalen Erwärmung ist dabei die Abstrahlung von Wärme von der Erde ins Weltall. »Der Klimawandel wird durch ein Ungleichgewicht im Strahlungshaushalt der Erde verursacht«, erklärt Dr. Falk Eilenberger, Forscher am Fraunhofer IOF. »Das Problem: Klimagase reduzieren die Menge an Wärme, die von der Erde ins Weltall abgestrahlt wird. Die Folge: Es wird hier unten zunehmend wärmer. Dieser Prozess ist jedoch äußerst komplex und wird von Faktoren wie der Verteilung der Gase, der Wolkenbildung und den Strömungen in der Atmosphäre beeinflusst«, so der Forscher weiter.

Um eben diese komplexen Mechanismen besser zu verstehen, will die ESA voraussichtlich 2027 die Mission FORUM starten. Mit einem Satelliten soll der Strahlungshaushalt der Erde lokal genau aufgenommen werden. »Im übertragenen Sinne heißt das: FORUM ist ein Satellit gewordenes Fieberthermometer mit extremer Präzision«, versinnbildlicht Eilenberger. Für die »Fiebermessung« kommt auf dem Satelliten ein Spektrometer zum Einsatz. Dieses zeichnet die Wärmestrahlung der Erde im extrem-fernen Infrarotbereich auf – das heißt von ca. 10 bis 100 Mikrometer (µm). Die wesentliche Schlüsselkomponente hierbei ist der Strahlteiler des Spektrometers.

Geätzte Diamantenstruktur fungiert als Strahlteiler im Interferometer
Genau hier spielen das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF sowie das Institut für Angewandte Physik der Friedrich-Schiller-Universität eine entscheidende Rolle: Für eben diesen Strahlteiler haben Forschende beider Institute eine innovative Diamantmikrostruktur für die hochpräzise Messung von Spektren im extrem-fernen Infrarotbereich entwickelt und gefertigt. Dabei kommt eine spezielle Technologie zum Einsatz, bei der mikroskopische Pyramiden in einen Diamanten geätzt werden.

»Für die extreme Bandbreite, die von FORUM aufgenommen werden soll, brauchen wir einen Strahlteiler, der über den gesamten Spektralbereich durchsichtig ist«, erläutert Falk Eilenberger, der die Abteilung für Mikro- und Nanostrukturierte Optik am Fraunhofer IOF leitet. Er fährt fort: »Es gibt kein optisches Material, das diese Eigenschaft hat – außer Diamant.« Entsprechend nutzten die Forschenden einen Diamanten von der ungefähren Größe einer Kreditkarte (~43mm x 64 mm). Dessen glänzende (und später zusätzlich beschichte) Oberfläche fungiert als Strahlteiler. Und hier wartet schon die nächste Herausforderung, denn: »Es darf aber nur eine Oberfläche des Diamanten glänzen«, erklärt Eilenberger. »Unser Job war es also, die zweite Oberfläche zu entspiegeln.«

Herkömmliche Entspiegelungsverfahren, wie sie etwa bei Brillengläsern zum Einsatz kommen, sind für diese Anwendung ungeeignet, da sie aus Schichten verschiedener Materialien bestehen und nicht über den gesamten Spektralbereich transparent sind. Die Forschenden haben daher einen speziellen Ätzprozess entwickelt, um die erforderlichen Strukturen in den Diamanten einzubringen. Dafür ließen sie sich von der Natur inspirieren – und zwar vom Auge der Motte.

Nach dem Vorbild der Natur: Mottenaugen als Inspiration
»Mottenaugen sind breitbandig entspiegelt«, erörtert Eilenberger. »Sie erreichen diese Entspiegelung durch mikroskopisch kleine Pyramiden auf der Oberfläche. Das Fraunhofer IOF hat dieses Vorbild aus der Natur bereits vor einigen Jahren für Optiken im sichtbaren übernommen. Wir haben diesen Ansatz für die FORUM-Mission nun auf die Diamantstrahlteiler angewandt.«

Obwohl das Konzept damit schon länger am Fraunhofer IOF zum Einsatz kommt, sind die Anforderungen für eine Anwendung im Fall der FORUM-Mission extrem, wie der Forscher weiter ausführt: »Nicht zuletzt da Diamant – bekannt als eines der härtesten Materialen der Welt – nur sehr schwer zu strukturieren ist. Die extreme Bandbreite bedarf weiterhin Pyramiden mit extremer Formtreue. Wir mussten also einen Ätzprozess entwickeln, der Strukturen der notwendigen Form exakt und reproduzierbar erzeugt.«

Gelungen ist dies den Forschenden mithilfe eines reaktiven Ionenätzprozess, maskiert durch eine Elektronenstrahllithographisch aufgebrachte Maske. Im Ergebnis erreichten sie eine Entspiegelungseffizienz von mehr als 96% durch eine Strukturtiefe von mehr als 7 Mikrometern und eine präzise definierte Flankensteilheit. Hier waren die Kolleginnen und Kollegen vom Institut für Angewandte Physik (IAP) der Universität Jena maßgeblich beteiligt: »Ohne diese absolut exzellente Zusammenarbeit und die hervorragende Ätz-Technologieentwicklung des IAP, wäre die Strukturierung des Diamanten nicht möglich oder so erfolgreich gewesen«, sagt Eilenberger.

»Diamonds are photonics’ best friend«: Potential als optischer Werkstoff
Für Falk Eilenberger und sein Team zeigt die Entwicklung insgesamt große Potentiale in der Verwendung von Diamant als optischem Werkstoff auf: »Dieses Projekt zeigt auch, dass wir das Potential von Diamant als optischem Werkstoff erst durch eine Nanostrukturierung wirklich nutzen können«, erklärt er. Er erläutert weiter, dass Diamant das einzige optische Material ist, das vom ultravioletten Licht bis zum tiefen Infrarot nutzbar ist. »Durch seine hohe Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit eignet er sich auch exzellent als Material für Hochleistungslaseroptiken. Im Gegensatz zu klassischen Laseroptiken kann Diamant selbst extremste Umgebungsbedingungen klaglos überstehen.«

Er fährt fort: »Wir möchten mit dem Projekt auch zeigen, dass nanostrukturierter Diamant das Material der Zukunft für Optiken im extremen Bereich ist. Mit unseren Prozessen sind wir exzeptionell aufgestellt diese Zukunft zu gestalten: Diamant-Metaoptiken, waferskalige Diamant-Magnetfeld-Sensoren, Resonante-Diamant-Spiegel und vieles mehr. Man könnte sagen: Diamonds are photonics’ best friend.«

Erfolgreiche Übergabe nach vier Jahren Entwicklungsarbeit
Die FORUM-Mission markiert einen bedeutenden Meilenstein in der Erforschung des Klimawandels sowie der Anwendung von Diamantstrukturen in der Raumfahrttechnologie. Insgesamt hat das Jenaer Forschungsteam – bestehend aus Mitarbeitenden des Fraunhofer IOF sowie des IAP – vier Jahre an der Entwicklung der neuartigen Diamantenstruktur gearbeitet. Die Entwicklungsarbeit erfolgt in enger Abstimmung mit dem Auftraggeber OHB SE sowie der ESA als Missionsträger.

Der flugtaugliche Strahlteiler zur Anwendung im Rahmen der FORUM-Mission wurde im Dezember 2023 nun an OHB übergeben.

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• ESA Erdbeobachtungssatellit FORUM

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Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft 25. Mai 2023.

25. Mai 2023 – Wasser wird zunehmend knapper. Eine neuartige Satellitentechnologie, die in Form eines Prototyps mit dem Namen »LisR« bereits auf der Internationalen Raumstation ISS erprobt wurde, ermöglicht es künftig, Pflanzen bedarfsgerecht zu bewässern und einen nachhaltigen Umgang mit der lebenswichtigen Ressource sicherzustellen. Für diese Entwicklung erhält ein Team aus Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI und des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF sowie der beiden Spin-offs constellr GmbH und SPACEOPTIX GmbH den Fraunhofer-Preis »Technik für den Menschen und seine Umwelt«.

In Deutschland sind wir es gewohnt, ausreichend Wasser zur Verfügung zu haben. Künftig jedoch dürfte die lebenswichtige Ressource knapp werden – schließlich geht der Weltklimarat davon aus, dass infolge des Klimawandels die Intensität und Häufigkeit von Dürren weiter zunehmen. Darüber hinaus wächst die Weltbevölkerung immer weiter: Bis 2050 werden Schätzungen zufolge knapp zehn Milliarden Menschen auf der Erde leben – Menschen, die mit Nahrungsmitteln versorgt werden müssen. Eine Herausforderung, wenn man bedenkt, dass aktuell etwa 70 Prozent unseres Trinkwassers für Bewässerung genutzt werden. Besonders besorgniserregend: 60 Prozent davon werden durch übermäßige Bewässerung verschwendet.

Geleitet durch die Gründungsidee der constellr GmbH entwickelten die Forschenden des Fraunhofer EMI, des Fraunhofer IOF sowie der Unternehmen constellr und SPACEOPTIX – beides Ausgründungen dieser Institute – die Infrarotkamera LisR, kurz für »Longwave infrared sensing demonstratoR«. Nach erfolgreicher Demonstration auf der internationalen Raumstation ISS sollen die Erkenntnisse der LisR-Mission als Grundlage für eine Satelliten-Konstellation genutzt werden – eine Satelliten-Konstellation, mit der sich künftig aus dem Orbit die Landoberflächentemperatur messen und die Bewässerung auf den tatsächlichen Bedarf abstimmen lässt. Schon ab 2026 könnten sich auf diese Weise jährlich 180 Milliarden Tonnen Wasser und 94 Million Tonnen CO₂ einsparen lassen, während die globale Ernte durch eine gezieltere Versorgung der Pflanzen um bis zu vier Prozent steigen könnte. Dies entspräche zusätzlicher Nahrung für über 350 Millionen Menschen. Für ihre Entwicklung des Technologie-Demonstrators LisR werden Clemens Horch vom Fraunhofer EMI, Dr. Henrik von Lukowicz vom Fraunhofer IOF, Cassi Welling von der constellr GmbH und Dr. Matthias Beier von der SPACEOPTIX GmbH mit dem Fraunhofer-Preis »Technik für den Menschen und seine Umwelt« 2023 ausgezeichnet.

Messung der realen Landtemperatur
Doch wie ermöglicht es die Technologie, solche großen Mengen an Wasser und CO₂ einzusparen? »Von einem Satelliten aus behält die Technologie die Erdoberfläche im Blick und detektiert die von dort ausgesandte Infrarotstrahlung – also die Wärmestrahlung«, erläutert Welling. »Während andere Lösungen lediglich die Landoberflächentemperatur modellieren, messen wir die Temperatur des Blätterdachs oder der Landoberfläche der Vegetation direkt. Auf diese Weise können wir eine genaue Bewertung von Wasserverfügbarkeit gegenüber Wasserbedarf vornehmen und Stress früher als je zuvor erkennen.« Über die Bewertung lässt sich damit auch auf den Bewässerungszustand der Pflanzen schließen: Sind die Pflanzen nicht ausreichend mit Wasser versorgt, verdunstet weniger Wasser über ihre Blätter – die Temperatur steigt. Die Wärme an bestimmten Stellen des Ackers kann Landwirtinnen und Landwirten daher einen direkten Anhaltspunkt geben, wo Bewässerung nötig ist und wo nicht.

Elementar für die Entwicklung des Technologie-Demonstrators war das Zusammenspiel der verschiedenen Partner mit ihren sich ergänzenden Expertisen. Während das Fraunhofer IOF die kompakte und leicht zu integrierende Optik für das Kameramodul entwickelte, fertigte SPACEOPTIX die dafür nötige Freiform-Spiegeloptik in Nanometer-Präzision. Die Forschenden des Fraunhofer EMI wiederum steuerten ein patentiertes Messverfahren bei, mit dem sich aus den Kameraaufnahmen die präzise Oberflächentemperatur bestimmen lässt. Die Missionsplanung sowie die Auswertung der Daten übernahm die constellr GmbH.

Test auf der Internationalen Raumstation ISS
Um die neue Technologie unter Realbedingungen zu testen, entwickelten die Forschenden den Demonstrator. Im Frühjahr und Sommer 2022 wurde dieser auf der Internationalen Raumstation ISS erprobt – eine große Ehre. »Von der ISS aus konnten wir etwa zehn Millionen Bilder aufnehmen, mit einer Auflösung von rund 80 Metern«, freut sich Horch. Aufbauend auf diesem Erfolg plant constellr, bis zum Jahr 2028 mit 16 Kleinsatelliten alle 24 Stunden die Temperatur der Landoberfläche überall auf der Erde mit täglicher Frequenz und einer Auflösung von mehr als 50 Metern präzise zu messen. So kann vom Weltraum aus die optimale Bewässerung von Agrarflächen unterstützt werden.

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• Planet Erde

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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-Gesellschaft 9. JUni 2022.

9. Juni 2022 – Die Luftfahrtbranche ist im Umbruch. Der Green Deal der Europäischen Union sieht vor, die Netto-Emissionen von Treibhausgasen des europäischen Kontinents bis 2050 auf null zu reduzieren. Das betrifft auch die Luftfahrtbranche. Sie muss zügig Technologien für mehr Nachhaltigkeit entwickeln. Schon 2035 sollen erste Flugzeuge in Betrieb gehen, die kein CO₂ mehr ausstoßen. Auch die Raumfahrt trägt zur Bekämpfung des Klimawandels bei, beispielsweise durch die Auswertung von Erdbeobachtungsdaten, die der Schlüssel zum Verständnis des Klimawandels sind.

In diesem Sinne steht die diesjährige Luft- und Raumfahrtausstellung ILA in Berlin (22. bis 26. Juni 2022) unter dem Motto »Pioneering Aerospace«. Die Fraunhofer-Gesellschaft ist auf der größten Luft- und Raumfahrtausstellung Europas gleich mehrfach vertreten: in Halle 4 (Aviation), Stand 350 und in Halle 6 (Space), Stand 330. Zudem halten Fraunhofer-Forschende im Rahmenprogramm der »ILA Stage Future Lab« (Halle 4) Vorträge, beispielsweise zum Thema Wasserstoff oder neue Materialien. Im Wasserstoff-Forum in Halle 1 ist Fraunhofer ebenfalls präsent.

Die ausstellenden Fraunhofer-Institute entwickeln Technologien für die Gestaltung einer nachhaltigen, klimaneutralen Luft- und Raumfahrt entlang der gesamten Wertschöpfungskette – von der Konstruktion über die Fertigung bis zum Recycling. Neben Entwicklungen aus Fraunhofer-Leitprojekten werden Ergebnisse, beispielsweise aus dem nationalen LuFo-Förderprogramm (Luftfahrtforschungsprogramm) sowie dem europäischen Clean-Sky-Programm, gezeigt. Beim Thema Space präsentieren sich Fraunhofer-Spin-offs mit Technologien für die Erdbeobachtung aus dem All – ein Thema, das für den Klimaschutz von zentraler Bedeutung ist.

Darüber hinaus präsentieren die Fraunhofer-Institute Konzeptstudien für die Zukunft der Luftmobilität in urbanen Räumen, etwa durch unbemannte Flugzeugsysteme.

Die Themen im Überblick
• Neue Materialien und Fertigungsverfahren für nachhaltigen Flugzeugbau
• Öko-Design durch Digitalisierung, Automatisierung und Virtualisierung
• Wasserstofftechnologien für Luft- und Raumfahrt
• Air Mobility für urbane Räume
• Space-Technologien aus Kommunikation und Navigation, Schutz und Zuverlässigkeit, Materialien und Prozesse sowie Oberflächen und Optiken

Netzwerk Wasserstoff (Halle 1, International Supplier Center)
Das Netzwerk Wasserstoff zeigt, was mit der sauberen Energiequelle Wasserstoff im Bereich Luft- und Raumfahrt möglich ist, etwa im Bereich der Antriebskonzepte. Mit ihren Forschungsinitiativen trägt die Fraunhofer-Gesellschaft zum Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft bei. Fraunhofer-Forschende haben hierfür innovative Konzepte entwickelt, darunter Wasserstofftanks aus Faserverbundkunststoffen.

Aviation (Halle 4, Stand 350)
3D-Druck im Flugzeugbau
Additive Fertigungstechnologien wie 3D-Druck bieten hohe Flexibilität beim Design und schonen Ressourcen durch gezielten Materialeinsatz. Das Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik Ernst-Mach-Institut EMI zeigt zwei unterschiedliche mit 3D-Druck gefertigte Türaufhängungen für Verkehrsflugzeuge und erklärt, wie die Technologie den Leichtbau unterstützt.

Thermoplaste für den Flugzeugbau
Thermoplastische Kunststoffe sind auch nach der Aushärtung wieder verformbar. Sie lassen sich so leichter reparieren oder recyceln. Der Einsatz bringt den Flugzeugbau dem großen Ziel Kreislaufwirtschaft deutlich näher. Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM zeigt, dass der Kunststoff u. a. für die Herstellung von Integralspanten, die zum Versteifen eines Flugzeugrumpfs dienen, genutzt werden kann. Für die Montage dieser Integralspanten an den Rumpf setzt das Institut einen robotergeführten 3D-Druck als automatisierte Fügetechnologie ein.

Digitalisierung und Virtualisierung
Augmented Reality und Virtual Reality halten beim Flugzeugbau Einzug. Vier Fraunhofer-Institute demonstrieren, wie digitale und virtuelle Methoden sinnvoll in der Flugzeugkonstruktion und -produktion eingesetzt werden können. Besucherinnen und Besucher am Stand haben sogar die Möglichkeit, mit einer VR-Brille eine virtuelle Anwendung des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK direkt am digitalen Flugzeugmodell zu erleben.

Noise Cancelling für Flugzeugmaterialien
Vibroakustische Metamaterialien (VAMMs) sind durch eine spezielle Anordnung in der Lage, die Ausbreitung von Wellen in bestimmten Frequenzbereichen zu stoppen. Fliegen wird so leiser und komfortabler. Ein Cabin-Lining-Element aus einem Flugzeug demonstriert das Potenzial der VAMMs. Entwickelt wurde die Technologie am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF.

Advanced Air Mobility: Fraunhofer-Leitprojekt ALBACOPTER®
Im Leitprojekt ALBACOPTER® entwickeln unter Leitung des Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI sechs Fraunhofer-Institute ein skalierbares Drohnenkonzept, um zukünftig Teile des städtischen Verkehrs in die Luft verlagern zu können. Die Besonderheit besteht in der Verknüpfung der VTOL-Fähigkeit (Vertical Take-Off and Landing) eines Multicopters mit den aerodynamischen Vorzügen eines Segelgleiters.

SPACE (Halle 6, Stand 330)
Innovative Tanks für Wasserstoff
Auch für die Speicherung des Wasserstoffs gibt es neue Lösungen. Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM setzt auf leichte und recyclingfähige Faserverbundkunststoffe (FVK). Mit einer besonderen Beschichtung bieten sie außergewöhnliche Dichtigkeit und können somit auch als Wasserstofftank eingesetzt werden. Eine gewichtssparende, ressourcenschonende und gleichzeitig sichere Alternative zu den herkömmlichen schweren Stahltanks.

Spiegelteleskop ATHENA
Für das Spiegelteleskop ATHENA (Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics) der European Space Agency (ESA) entwickeln Expertinnen und Experten des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS eine der drei Hauptbauteile des Teleskops, eine ausfahrbare optische Bank. Der Clou: Bei der Fertigung kommen besonders effiziente und ressourcenschonende Verfahren wie Laserauftragschweißen und additive Fertigung zum Einsatz.

Satelliten zur Erdbeobachtung
Im Kampf gegen den Klimawandel gewinnt die Erdbeobachtung mit Satelliten immer mehr Bedeutung. In der Start-up-Area zeigen Fraunhofer-Spin-offs ihre Technologien: SPACEOPTIX, eine Ausgründung des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, präsentiert Metalloptiken und Spiegelsysteme für Anwendungen in den Bereichen Weltraum, Astronomie, Wissenschaft und Industrie. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI haben ConstellR gegründet. Im Mittelpunkt steht ein satellitengestütztes System zur Überwachung von Trockenstress und der Bewässerung landwirtschaftlicher Anbauflächen.

ISRU nutzt Materialien auf Mond und Mars
ISRU (In Situ Ressource Utilization) gehört zu den zukunftsweisenden Technologien der nachhaltigen Industrieproduktion. Bei den entsprechenden Verfahren werden vor Ort vorgefundene Materialien als Bau- oder Verbrauchsmaterialien verwendet. Forschende aus dem Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST arbeiten an elektrochemischen Verfahren, um aus Regolith, einem Pulver, das die Mondoberfläche bedeckt, Eisen oder Aluminium zu extrahieren. Auf dem Fraunhofer-Stand sind die Reduktionsprozesse ELMORE und ROXY zu sehen, die bei Missionen zum Mond und in Zukunft auch auf dem Mars zum Einsatz kommen könnten.

Fraunhofer-Satellit im Orbit
Anfang 2023 will die Fraunhofer-Gesellschaft den Nanosatelliten ERNST (Experimental Spacecraft based on Nano-Satellite-Technology) in den Orbit schicken. Der nur 22 kg schwere Satellit wurde vom Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut EMI entwickelt. Er nutzt einen kryogekühlten Infrarotdetektor, eine Infrarot-Kamera zur Erdbeobachtung und einen Strahlungsdetektor. ERNST ist als Gesamtsystem konzipiert, das in der Lage ist, ganz unterschiedliche Missionen sehr kurzfristig zu realisieren und in den erdnahen Orbit zu bringen.

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• ILA Berlin

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Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik.

1. April 2022 – Gab es Leben auf dem Mars? Dieser Frage will die Europäische Weltraumbehörde (ESA) mit ihrer ExoMars-Mission nachgehen. Auch wenn der für Herbst dieses Jahres geplante Start der Mission mit russischer Beteiligung aufgrund der aktuellen politischen Entwicklungen aktuell zur Disposition steht, ist im Rahmen der Forschungsarbeit am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF ein spannendes Analysesystem für den Einsatz im Weltraum entstanden. Für das mobile Labor des ExoMars-Rovers entwickelten die Forscherinnen und Forscher aus Jena ein miniaturisiertes Lasermodul. Dieses Raman-Spektrometer mit einem diodengepumpten Festkörperlaser in der Größe einer 50-Cent-Münze, stellt das Institut vom 26. bis 29. April auf der LASER World of Photonics in München vor (Stand B4.239).

Um Spuren von extraterrestrischem Leben auf dem Mars zu suchen, soll der Rover »Rosalind Franklin« rund 56 Millionen Kilometer von der Erde entfernt bald die mineralogischen Verbindungen auf der Marsoberfläche analysieren. Mit an Bord wird das Gefährt dafür einen Bohrer sowie eine Reihe wissenschaftlicher Instrumente haben. Eines davon ist ein sogenanntes Raman-Spektrometer. Mit ihm kann die Streuung von Licht an Molekülen zum Beispiel in der Atmosphäre oder an Festkörpern wie Gesteinsproben untersucht werden. Das Herzstück der weltraumtauglichen, stark miniaturisierten Laserquelle des Spektrometers ist ein diodengepumpter Festkörperlaser mit Frequenzverdopplung, aufgebaut am Fraunhofer IOF in Jena.

Konkret funktioniert das Raman-Spektrometer so: Das ausgesendete Laserlicht tritt in Wechselwirkung mit der zu analysierenden Materie. Hierbei entsteht der sogenannte »Raman-Effekt«. Dabei geht Energie vom Licht auf die Materie über und umgekehrt. Diese Veränderung der Lichtenergie zieht eine Änderung seiner Wellenlänge nach sich. Anschließend wird das Licht an das Spektrometer zurückgestreut und dort auf seine Wellenlängenveränderungen hin untersucht. Aus diesen Abweichungen zur ursprünglichen Frequenz des Ausgangslichts lassen sich Rückschlüsse auf die Beschaffenheit der Materie ziehen.

Kleinste Bauelemente mit großer Robustheit
Der grüne Laser aus Jena arbeitet mit einer Wellenlänge von 532 Nanometern und mehr als 100 Milliwatt. »Insgesamt sieben Jahre Entwicklungszeit haben unsere Forscherinnen und Forscher investiert, um das Modul an die besonderen Herausforderungen des Einsatzes im Weltall anzupassen«, erklärt Dr. Erik Beckert, Projektleiter des ExoMars-Lasers am Fraunhofer IOF. Typisch für Weltraumprojekte ist die Notwendigkeit zu besonders kleinen und leichten Bauteilen. So bringt der Laser inklusive Gehäuse gerade einmal 50 Gramm auf die Waage – so viel wie eine halbe Tafel Schokolade.

Doch weder Leistung noch Robustheit dürfen unter der Miniaturisierung leiden. Die empfindlichen optischen Bauteile müssen zudem so konstruiert sein, dass sie großen Temperaturschwankungen zwischen -130 und +24 Grad Celsius und hohen Strahlenbelastungen im All ebenso standhalten wie den starken Vibrationen bei Start und Landung des Rovers.

Herkömmliche Verfahren zur Montage optischer Bauteile sind für solche extremen Bedingungen nicht geeignet. »Aus diesem Grund haben wir alle Komponenten des empfindlichen Laserresonators und der Sekundäroptik mittels einer laserbasierten Löttechnik miteinander verbunden«, erläutert Beckert. »Sie gewährleistet eine besonders hohe Stabilität gegenüber thermischen sowie mechanischen Einflüssen und intensiven Strahlungsbelastungen.« Insgesamt fünf baugleiche Laser hat das Jenaer Institut gemeinsam mit dem spanischen Laserhersteller Monocrom in den vergangenen Jahren zur Verwendung im Raman-Spektrometer realisiert. Jetzt hoffen die Forschenden, dass ihre Technik bald mit der Mars-Mission ins All starten kann.

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• ExoMars-Rover Rosalind Franklin

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

Jena / Oberkochen / Stuttgart, 25 November 2021 – Forscher des Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF sind gemeinsam mit ihrem Partner für die Entwicklung metalloptischer Präzisionsinstrumente mit dem Lothar-Späth-Award ausgezeichnet worden. Das Hochleistungsteleskop GALA soll bei der für 2023 geplanten ESA-Mission JUICE zur Erforschung des Jupitermondes Ganymed zum Einsatz kommen. Die Preisverleihung erfolgte am 19. November 2021 in Stuttgart.

Gemeinsam mit Wissenschaftlern und Technikern der HENSOLDT Optronics GmbH aus Oberkochen hat eine Forschungsgruppe um Dr. Stefan Risse und Systemingenieur Henrik von Lukowicz am Fraunhofer IOF ein optisches Teleskop entwickelt, welches im Ultrahochvakuum mit extremen Umweltbedingungen zurechtkommt. Das Teleskop hält extremen Vibrationen beim Raketenstart, drastischen Temperaturwechseln sowie hohen Temperatur-Gradienten und extremer kosmischer Strahlungsbelastung stand und ist damit für den Einsatz im Weltraum geeignet. Für die gemeinsame Entwicklung wurde das Team aus HENSOLDT- und Fraunhofer-Forschern nun mit dem dritten Preis des diesjährigen Lothar-Späth-Awards ausgezeichnet.

Messinstrument GALA will Jupitermonde erforschen
Alle Tests sind bereits erfolgreich abgeschlossen. Schon 2023 wird das preisgekrönte Teleskop in der Weltraumforschung zur Anwendung kommen. Dann nämlich startet die Europäische Weltraumbehörde mit dem »Jupiter Icy Moons Explorer« (kurz: JUICE) zur Erforschung des Planeten Jupiters und seiner Monde Europa, Kallisto und Ganymed. Insgesamt elf wissenschaftliche Instrumente werden sich dabei an Bord der Raumsonde befinden. Eines davon ist das »Ganymed Laser Altimeter«, auch GALA genannt. GALA will die Eismonde des Jupiters erkunden – allem voran den Mond Ganymed, da dieser im Hinblick auf Atmosphäre, Magnetfeld und Wasservorkommen eine starke Ähnlichkeit zur Erde aufweist. Im Besonderen wird das Instrument die Oberfläche des Eismondes hochpräzise vermessen.

Um diese Informationen zu sammeln, sendet GALA von einer Umlaufbahn um Ganymed – also immerhin aus circa 500 Kilometern Entfernung – Laserpulse auf die Mondoberfläche und empfängt zurückgestreute Signale. Aus der Laufzeit des Pulses lässt sich der Abstand zur Mondoberfläche bestimmen und daraus wiederum die Topografie. Dazu benötigt es eine hochpräzise Laser-Empfangs-Einheit. 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 15 cm vermessen.

Anwendungen auch für Satellitenkommunikation und Quantenoptik
Die vom Team erbrachte Entwicklungsleistung weist auch über die Weltraumforschung hinaus vielfältige Einsatzgebiete auf: »Neben den bestehenden Marktzugängen der Erdbeobachtung, Sicherheitstechnik und der institutionellen Fernerkundung eröffnet die Entwicklung den Marktzugang zu up-and-down Links und der Satellitenkommunikation, Quantenoptik und quantenoptischen Verschlüsselungstechnologien«, hieß es seitens der Lothar-Späth-Stiftung anlässlich der Preisverleihung.

Die HENSOLDT Optronics GmbH mit Sitz in Oberkochen entwickelt Sensorlösungen für Sicherheitsanwendungen und Weltraumoptiken. Für ihre gemeinsame Entwicklungsarbeit am Messinstrument GALA wurden auf Seiten des Fraunhofer IOF Dr. Stefan Risse, Henrik von Lukowicz und Freiform-Entwickler Dr. Johannes Hartung ausgezeichnet. Seitens der HENSOLDT Optronics wurden Dr. Kai Weidlich (Produkt- manager Hochleistungsoptik), Henry Wegert (Systemingenieur) und Boris Trefzger (Strukturanalyst) geehrt.

Über den Lothar-Späth-Award
Der Lothar-Späth-Award würdigt herausragende und in Kooperation entstandene Innovationen bei Produkten, Verfahren und Dienstleistungen in Baden-Württemberg und Thüringen. Er zeichnet die dahinterstehenden Personen aus Wissenschaft und Wirtschaft aus. 2018 unterstrich der Award damit erstmals die Bedeutung von partnerschaftlichem, zukunftsorientiertem Denken und Handeln für Deutschlands Spitzenposition in der Welt.

Im Sinne von Prof. Dr. h. c. Lothar Späth (Ministerpräsident von Baden-Württemberg von 1978 bis 1991 sowie Vorstandsvorsitzenden der Jenoptik AG) würdigt und fördert der Preis besondere Entwicklungen zum Wohle der Gesellschaft. Zu den Jury-Mitgliedern des Preises zählen unter anderem Bundeskanzler a. D. Gerhard Schröder und der ehemalige Ministerpräsident des Landes Baden-Württemberg und ehemalige EU-Kommissar Günther Oettinger.

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

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