Quelle: TU Berlin 11. April 2024.

11. April 2024 – Der Start wird voraussichtlich Ende 2026 stattfinden. Dann fliegt ein von der TU Berlin und dem Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) entwickeltes System für das Laserschmelzen von Mondstaub, dem sogenannten Regolith, für erste Tests auf den Mond. Dazu hat jetzt das LZH als Konsortialführer des Projekts einen Vertrag mit dem Raumfahrtunternehmen Astrobotic geschlossen. Vision des Projekts „MOONRISE“ ist es, zukünftig Infrastrukturen auf dem Mond mit den dort verfügbaren Materialien herstellen zu können. Landeplätze, Straßen oder Gebäude aus Mondstaub vor Ort anzufertigen, würde enorme Transportkosten sparen, denn der Transport von Material von der Erde auf den Mond ist mit Kosten von bis zu einer Million Dollar pro Kilogramm sehr kostspielig.

„Ich freue mich, unsere Partnerschaft mit Astrobotic, einem wichtigen Akteur in der Weltraumtechnologie, bekannt zu geben. Gemeinsam können wir dieses innovative Projekt jetzt im wahrsten Sinne des Wortes zum Abheben bringen“, sagt Dr. Dietmar Kracht, Geschäftsführender Vorstand des LZH. Astrobotic ist ein US-amerikanisches Mondlogistikunternehmen, das den Transport von Nutzlasten zum Mond anbietet, sowohl für kommerzielle als auch für wissenschaftliche Zwecke. Das Unternehmen erhielt im Rahmen eines Vergabeverfahrens den Zuschlag für sein Angebot.

Künstliche Intelligenz (KI) hilft beim Laserschmelzen
Der Lander von Astrobotic soll – neben anderen Nutzlasten von weiteren Auftraggeber*innen – mit einem kompakten, robusten Laser ausgestattet werden, der am LZH entwickelt wird. Dieser Laser wird den Mondstaub schmelzen und so 2D-Strukturen auf der Mondoberfläche erzeugen, ein erster Test für den später anvisierten 3D-Druck. Eine Kamera wird den Prozess erfassen und es den Forscher*innen auf der Erde ermöglichen, ihn durch ein intelligentes Bildverarbeitungssystem zu analysieren. „Künstliche Intelligenz wird uns nicht nur dabei helfen, einen geeigneten Ort auf der Mondoberfläche für das Laserschmelzen zu finden. Sie soll außerdem während des Experiments eine Qualitätskontrolle der gedruckten Strukturen ermöglichen“, sagt Benedict Grefen von der Arbeitsgruppe „Exploration und Antriebe“ im Fachgebiet Raumfahrttechnik (RFT) der TU Berlin.

Baukasten mit verschieden zusammengesetztem Mondstaub
Dazu gehört auch ein Regolith-Baukasten, der an der TU Berlin entwickelt wurde und es ermöglicht, die in Frage kommenden Landestellen von den Eigenschaften her präzise nachzustellen. „Der Regolith-Simulat wird dann an den finalen Landeplatz auf dem Mond angepasst, sodass im Labor der Laserprozess auf die reale Mondmission hin optimiert werden kann“, erklärt Grefen, der das Projekt auf der Seite der TU Berlin leitet. Parallel werden mit einem „Oberflächenanalogmodell“ Trainingsdaten für die KI generiert. Dieses Modell wird dann auch während der Mission die Entscheidungen unterstützen. Ziel ist ein „Proof of Concept“, dass Laserschmelzen auf dem Mond möglich ist.

Förderung in Höhe von 4,75 Millionen Euro
„Das MOONRISE-Team testet eine Schlüsseltechnologie für künftige Aktivitäten auf dem Mond, und wir sind dankbar, dass wir im Wettbewerb für den Transport ihrer Nutzlast ausgewählt wurden. MOONRISE ist ein großartiges Beispiel für die Art von neuen Ideen, neuen wissenschaftlichen Demonstrationen und neuen Ländern, die unsere Lander-Transportdienste nutzen können, um ihre eigenen geplanten Beiträge zur aufstrebenden lunaren Wirtschaft voranzutreiben“, sagt Dan Hendrickson, Vizepräsident für Geschäftsentwicklung bei Astrobotic.

Das Projekt wird gefördert durch die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz in Höhe von 4,75 Millionen Euro. Projektpartner sind das LZH und die TU Berlin.

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• Astrobotic Technology

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Quelle: Laser Zentrum Hannover e.V. 5. Mai 2023.

5. Mai 2023 – Der italienische Partner Optomaterials stellt wettbewerbsfähige Kristalle her, die das litauische Unternehmen Altechna mit einer speziellen Beschichtung versieht. Um die für die rauen Umweltbedingungen des Weltraums notwendigen Beschichtungseigenschaften zu erreichen, hat Altechna im Rahmen des Projekts spezielle Beschichtungsdesigns und -prozesse auf Basis des Ion-Beam- und Magnetron-Sputtering-Verfahrens entwickelt.

Weltraumtauglichkeit erfolgreich bewiesen
Die Kristalle wurden von den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am LZH in speziellen Lasersystemen auf Herz und Nieren geprüft. Diese Lasersysteme haben sie im Hinblick auf spätere Anwendungen entworfen. Sie könnten den Grundstein für neuartige laserbasierte Messinstrumente legen.
Die LZH-Wissenschaftler:innen haben die Alexandritkristalle Protonen- und Gamma-Strahlung ausgesetzt und mehrere für Weltraumanwendungen typische Temperaturzyklen durchlaufen lassen. Vor und nach diesen Umwelttests haben sie die Kristalle unter anderem hinsichtlich ihrer Transmissionseigenschaften und der Laserperformance charakterisiert. Da die Umwelttests zu keiner signifikanten Änderung der gemessenen Parameter geführt haben, konnte somit die Weltraumtauglichkeit nachgewiesen werden. Außerdem konnten die Forscher:innen zeigen: Die Laserzerstörschwelle (engl. Laser-Induced Damage Threshold, LIDT) der Kristalle reicht an die der Spitzenprodukte auf dem Weltmarkt heran – beziehungsweise übertrifft diese sogar.

Kristalle nun fit für den Markt: GALACTIC hat TRL 6 erreicht
Das EU-Projekt GALACTIC hat damit erfolgreich den Technologiereifegrad (engl. Technology Readiness Level, TRL) weltraumtauglicher Alexandrit-Kristalle aus Europa von 4 auf 6 angehoben und damit die Marktreife erreicht.

Besondere Eigenschaften für präzisere Daten
Alexandrit-Kristalle haben eine sehr gute thermische Leitfähigkeit und Bruchfestigkeit. Sie lassen sich daher gut unter hohen Laserleistungen einsetzen beziehungsweise sind robust genug, um hohe mechanische Belastungen zum Beispiel bei Raketenstarts auszuhalten. Da sich mit den Kristallen die Ausgangswellenlänge der Lasersysteme durchstimmen lässt, könnten sie die Grundlage von neuartigen laserbasierten Messinstrumenten für Erdbeobachtungssatelliten sein. Mit solchen Instrumenten könnten präzisere klimarelevante Daten zum Zustand der Atmosphäre oder der Vegetation gesammelt werden.

Über GALACTIC
Im Projekt “High Performance Alexandrite Crystals and Coatings for High Power Space Applications” (GALACTIC) haben das Laser Zentrum Hannover e.V. zusammen mit Altechna und Optomaterials S.r.l. eine unabhängige, rein europäische Lieferkette für Alexandrit-Laserkristalle aufgebaut. GALACTIC wurde mit Mitteln des Forschungs- und Innovationsprogramms „Horizon 2020“ der Europäischen Union unter dem Förderkennzeichen Nr. 870427 gefördert. Koordiniert wurde GALACTIC vom LZH.

Aktuelle Artikel zu den Ergebnissen von GALACTIC
S. Unland, R. Kalms, P. Wessels, D. Kracht, and J. Neumann, „High-performance cavity-dumped Q-switched Alexandrite laser CW diode-pumped in double-pass configuration,“ Opt. Express 31, 1112-1124 (2023), doi.org/10.1364/OE.478628, hthttps://opg.optica.org/oe/viewmedia.cfm?uri=oe-31-2-1112&html=true
L. Lukoševičius, J. Butkus, P. Weßels, S. Unland, R. Kalms, T. Böntgen, H. Mädebach, M. Hunnekuhl, D. Kracht, J. Neumann, M. Lorrai, P. G. Lorrai, and M. Hmidat, „Investigation of advanced optical coating influence on the properties of Alexandrite laser crystals,“ in Optical Interference Coatings Conference (OIC) 2022, R. Sargent and A. Sytchkova, eds., Technical Digest Series (Optica Publishing Group, 2022), paper TEA.2. https://opg.optica.org/abstract.cfm?URI=OIC-2022-TEA.2
Nähere Informationen und mehr Publikationen zu GALACTIC sind unter www.h2020-galactic.eu abrufbar.

Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)
Als unabhängiges gemeinnütziges Forschungsinstitut steht das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) für innovative Forschung, Entwicklung und Beratung. Das durch das Niedersächsische Ministerium für Wirtschaft, Arbeit, Verkehr und Digitalisierung geförderte LZH widmet sich der selbstlosen Förderung der angewandten Forschung auf dem Gebiet der Photonik und Lasertechnologie. 1986 gegründet arbeiten inzwischen fast 200 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter am LZH.
Der Fokus des LZH liegt auf den Bereichen Optische Komponenten und Systeme, Optische Produktionstechnologien und Biomedizinische Photonik. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Naturwissenschaftlern und Maschinenbauern ermöglicht innovative Ansätze für Herausforderungen verschiedenster Bereiche: von der Komponentenentwicklung für spezifische Lasersysteme bis hin zu Prozessentwicklungen für die unterschiedlichsten Laseranwendungen, zum Beispiel für die Medizintechnik oder den Leichtbau im Automobilsektor. 18 erfolgreiche Ausgründungen sind bis heute aus dem LZH hervorgegangen. Das LZH schafft so einen starken Transfer zwischen grundlagenorientierter Wissenschaft, anwendungsnaher Forschung und Industrie.

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• Technologieforschung

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Quelle: Laser Zentrum Hannover e.V. 15. Juni 2022.

15. Juni 2022 – Um Raumstationen auszustatten, müssen momentan noch vollständig montierte Baugruppen in den Weltraum transportiert werden. Dies beansprucht Laderaum und führt zu hohen Treibstoffkosten. Eine Lösung für dieses Problem könnte das Laserstrahlschweißen sein: Mit Hilfe des Laserstrahlschweißens könnten Anbau- oder Ersatzteile direkt vor Ort aneinandergefügt werden. Und anstatt gesamte Baugruppen auszutauschen, könnten bestehende Ausstattungen flexibel erweitert, modifiziert oder repariert werden.

Experimente im Einstein-Elevator sollen Erkenntnisse liefern
Im Weltraum sind viele Voraussetzungen für das Laserstrahlschweißen anders als auf der Erde. Unter anderem sorgen Vakuumbedingungen, Strahlung, elektrische und magnetische Felder dafür, dass Materialien und Prozesse sich anders verhalten. Wie genau sich Gravitation auf metallische Schmelzbäder auswirkt, wollen die Forscher*innen im Einstein-Elevator der Leibniz Universität Hannover (LUH) untersuchen.

Konkret wollen sie unter anderem das Strömungsverhalten für das Laserstrahlschweißen artgleicher sowie artungleicher Verbindungen aus Aluminiumlegierungen und Stahlwerkstoffen untersuchen. Für die artungleichen Schweißnähte wollen die Wissenschaftler*innen zusätzlich das Durchmischungsverhalten der Werkstoffe in der Schmelze analysieren. Weiterhin soll der Einfluss der bei Mikrogravitation stark reduzierten Konvektion auf das Schmelzbad sowie die resultierenden Fügeverbindungen untersucht werden.

Der Einstein-Elevator des HITec – Hannover Institute of Technology ist die Weiterentwicklung eines klassischen Fallturms, mit dem Experimente unter reduzierter Schwerkraft und Mikrogravitation (entspricht annähernd Schwerelosigkeit) durchgeführt werden können. Die erreichbare Mikrogravitation liegt bei unter 10^-6 g, die maximale Versuchsdauer beträgt 4 Sekunden. Der im Einstein-Elevator ohne Vakuum erreichbare Wert der Mikrogravitation liegt bei 10^-4 g. Dieser Zustand entspricht beispielsweise den Bedingungen auf der Internationalen Raumstation ISS.

Über das Projekt µg-Schweißen
Das Projekt „Das Verhalten metallischer Schmelzen beim Laserstrahlschweißen unter Mikrogravitation“ (µg-Schweißen) wird von der Deutsche Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG) unter dem Kennzeichen KA 3952/13-1 gefördert.

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• Technologieforschung

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Quelle: Laser Zentrum Hannover e.V.

25. Februar 2022, Lena Bennefeld, LZH: In den Polarregionen des Mondes ist die Wahrscheinlichkeit, flüchtige Bestandteile wie Wasser zu finden, am höchsten, da diese dort gefroren vorliegen. Nachweisen lassen sich diese etwa durch die Methode „Laser-induced breakdown spectroscopy“ (LIBS). Zu diesem Zweck haben die Wissenschaftler*innen der Gruppe Solid-State Lasers ein Lasermodell designt und gebaut.

Das Institut für Optische Sensorsysteme des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR-OS) verbaute den Laser des LZH in ein Demonstrator-Modell des eigentlichen „Volatiles Identification by Laser Ablation“-Messinstruments (kurz VOILA). Die Funktionalität prüften sie dann an Regolithsimulant, einem Stoff, der dem Mondstaub sehr nahekommt, und konnten damit die gewünschten Messdaten erzeugen.

Extrem kälteresistente und robuste Laserkomponenten
Langfristiges Ziel ist es, das VOILA-Lasersystem in einen Mond-Rover zu integrieren. Um herauszufinden, welche Komponenten für ein zukünftiges Flugmodell geeignet sind, haben die LZH-Wissenschaftler*innen zusammen mit der OHB System AG an verschiedenen Laserkomponenten Tieftemperaturtests mit Temperaturen von bis zu -140°C durchgeführt.

Damit ein Laser für einen Einsatz auf dem Mond geeignet ist, muss er spezielle Anforderungen erfüllen. In extrem kalten Gebieten mit Temperaturen von deutlich weniger als -100° C muss er zuverlässig funktionieren – solche Temperaturen sind für herkömmliche Lasersysteme äußerst problematisch. Für den Transport mit einer Mondrakete muss er klein und kompakt sein, außerdem sehr robust, damit er bei den starken Vibrationen beim Raketenstart keinen Schaden nimmt.

Der Plan für den realen Einsatz auf dem Erdtrabanten existiert bereits, das Konzept für ein Laser-Flugmodell-Design stellt sicher, dass der geplante Laser auch wirklich in das verfügbare Volumen auf dem Mond-Rover hineinpasst.

Über LUVMI-X
Das Projekt „Lunar Volatile Mobile Instrumentation Extended“ (LUVMI-X) wurde gefördert von der Europäischen Union im Rahmen des Förderprogramms Horizon 2020 (Grant 822018). An der Entwicklung des VIOLA-Instruments waren das Institut für Optische Sensorsysteme des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Berlin, das Laser Zentrum Hannover e.V. und die OHB System AG, Weßling, beteiligt. https://www.spaceapplications.com/products/lunar-rover-luvmi-x

Weiterführende Informationen:

In diesen kurzen Videos berichten die beteiligten Projektpartner über ihre Arbeit: https://www.h2020-luvmi-x.eu/watch-the-videos-luvmi-x-lasers/

Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

Als unabhängiges gemeinnütziges Forschungsinstitut steht das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) für innovative Forschung, Entwicklung und Beratung. Das durch das Niedersächsische Ministerium für Wirtschaft, Arbeit, Verkehr und Digitalisierung geförderte LZH widmet sich der selbstlosen Förderung der angewandten Forschung auf dem Gebiet der Photonik und Lasertechnologie. 1986 gegründet arbeiten inzwischen fast 200 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter am LZH.

Das LZH bietet mit seinen Anwendungen der Smarten Photonik Lösungen zu gegenwärtigen und zukünftigen Herausforderungen. Dabei arbeiten Naturwissenschaftler*innen und Ingenieur*innen interdisziplinär zusammen entlang der Prozesskette: von der Komponentenentwicklung für spezifische Lasersysteme oder für Quantentechnologien bis hin zu Prozessentwicklungen für die unterschiedlichsten Laseranwendungen, zum Beispiel für die Medizin- und Agrartechnik oder für den Leichtbau im Automobilsektor. 18 erfolgreiche Ausgründungen sind bis heute aus dem LZH hervorgegangen. Das LZH schafft so einen starken Transfer zwischen grundlagenorientierter Wissenschaft, anwendungsnaher Forschung und Industrie – und nutzt Licht für Innovation.

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• Mond

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Quelle: LZH.

Zum Abschluss des zweijährigen, von der VolkswagenStiftung finanzierten Projekts konnten Labor-Versuche mit dem MOONRISE-Laser an einem Robotorarm des Rovers vom IRAS umgesetzt werden. Dabei gelang es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, Mondstaub zu zusammenhängenden Bahnen aufzuschmelzen. Der vom LZH entwickelte Laserkopf wurde dabei über den Robotorarm angesteuert – ähnlich, wie er in Zukunft auf dem Mond eingesetzt werden könnte.

Robuster, kleiner Laser und Mond-ähnliches Regolith
„In den zwei Jahren haben wir einen Laserkopf entwickelt, der nur etwa so groß ist wie eine große Saftpackung und trotzdem den widrigen Bedingungen im Weltraum standhält“, berichtet Niklas Gerdes, Wissenschaftlicher Mitarbeiter des LZH, vom Laser, der auch schon nötigen Temperatur-Vakuum- und Vibrationstest standhielt. Niklas Gerdes fasst die nächsten Schritte zusammen: „Bei den ersten Versuchen im Labor haben wir die notwendige Bestrahlungsdauer und Leistung bestimmt. Dann ging es in die Vakuum-Kammer und wir haben dort erfolgreich Regolith aufgeschmolzen.“

Der im Projekt verwendete Regolith stammt aus dem IRAS. Dort wurde über die Projektdauer hinweg die Zusammensetzung des Regoliths auf die voraussichtlichen Bedingungen am Landeplatz angepasst – eine nicht zu unterschätzende Herausforderung. Denn die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler müssen auf Basis der Daten vergangener Mondmissionen passende Materialien auf der Erde finden, um den Mondstaub möglichst exakt nachzubilden.

Weltweit einmalig: Regolith im Einstein-Elevator unter Mondbedingungen geschmolzen
Ein Höhepunkt waren dann die Versuche im Einstein-Elevator der Leibniz Universität Hannover (LUH). MOONRISE war das erste wissenschaftliche Experiment im Elevator überhaupt. Prof. Dr.-Ing. Ludger Overmeyer, LUH/LZH, ist noch immer begeistert: „Im Einstein-Elevator ist es uns gelungen Regolith zu Kugeln aufzuschmelzen – sowohl unter kompletter Schwerelosigkeit als auch unter Mondgravitation. Das ist weltweit einmalig!“

Den krönenden Abschluss machte der Einsatz des Lasers auf dem Rover MIRA3D des IRAS. MIRA3D besteht aus einer fahrbaren Plattform und einem Roboterarm und wird für die Entwicklung von additiver Fertigungstechnologie auf dem Mond eingesetzt. Prof. Dr.-Ing. Enrico Stoll vom IRAS, TU Braunschweig, berichtet: „Wir konnten den Laserkopf am Arm des Rovers präzise ansteuern und damit größere Strukturen gezielt aufschmelzen. Ein voller Erfolg! Zusammen mit den Versuchen im Elevator haben wir eine solide Grundlage, um mit dem Laser auf dem Mond 3D zu drucken.“

Nächster Meilenstein wäre im Anschluss an das Projekt den Laserkopf zu einem Flugmodell weiterzuentwickeln. LZH und IRAS sind momentan im Gespräch mit einschlägigen Stellen, um die Entwicklungen voranzutreiben. Denn der Vision eines Lasers, der Baumaterialien für ganze Siedlungen aus Mondstaub druckt, sind die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit MOONRISE einen großen Schritt nähergekommen.

Über MOONRISE
Gefördert wurde das ehrgeizige und zukunftsweisende Forschungsprojekt von der VolkswagenStiftung im Rahmen der mittlerweile beendeten Förderinitiative „Offen – für Außergewöhnliches“. Darin unterstützt die Stiftung außergewöhnliche und gewagte Vorhaben, für die sich keine andere Finanzierung finden lässt.

Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)
Als unabhängiges gemeinnütziges Forschungsinstitut steht das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) für innovative Forschung, Entwicklung und Beratung. Das durch das Niedersächsische Ministerium für Wirtschaft, Arbeit, Verkehr und Digitalisierung geförderte LZH widmet sich der selbstlosen Förderung der angewandten Forschung auf dem Gebiet der Photonik und Lasertechnologie. 1986 gegründet arbeiten inzwischen fast 200 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter am LZH.

Der Fokus des LZH liegt auf den Bereichen Optische Komponenten und Systeme, Optische Produktionstechnologien und Biomedizinische Photonik. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Naturwissenschaftlern und Maschinenbauern ermöglicht innovative Ansätze für Herausforderungen verschiedenster Bereiche: von der Komponentenentwicklung für spezifische Lasersysteme bis hin zu Prozessentwicklungen für die unterschiedlichsten Laseranwendungen, zum Beispiel für die Medizintechnik oder den Leichtbau im Automobilsektor. 18 Ausgründungen sind bis heute aus dem LZH hervorgegangen. Das LZH schafft so einen starken Transfer zwischen grundlagenorientierter Wissenschaft, anwendungsnaher Forschung und Industrie.

Institut für Raumfahrtsysteme (IRAS) der TU Braunschweig
Der Fokus der Forschung am Institut für Raumfahrtsysteme (IRAS) liegt auf der Entwicklung von Methoden, Technologien und Ansätzen zum nachhaltigen Nutzen und zur Sicherheit von Infrastruktur im Weltraum. Drei technische Arbeitsgruppen forschen dabei auf den Gebieten Explorations- und Antriebssysteme, Space Debris und Satellitentechnik. Mit über 20.000 Studierenden und 3.700 Beschäftigten ist die Technische Universität Braunschweig die größte Technische Universität Norddeutschlands. Sie steht für strategisches und leistungsorientiertes Denken und Handeln, relevante Forschung, engagierte Lehre und den erfolgreichen Transfer von Wissen und Technologien in Wirtschaft und Gesellschaft. Forschungsschwerpunkte sind Mobilität, Infektionen und Wirkstoffe, Metrologie und Stadt der Zukunft.

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• Mond

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Ein Beitrag von Hans J. Kemm. Quelle: Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut Hannover, AEI).

Als Gravitationswellen bezeichnet man Wellen in der Raumzeit, die den Raum durchqueren und ihn dabei stauchen und strecken. Der Nachweis von Gravitationswellen ist außerordentlich schwierig, direkt ist er noch nie gelungen. Gravitationswellen werden von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt.
Zum Auffinden dieser Wellen werden Interferometer verwendet, die hindurchwandernde Gravitationswellen in Echtzeit beobachten sollen, indem die lokalen Änderungen der Raumzeit-Eigenschaften die empfindliche Interferenz zweier Laserstrahlen verändern. Aktuelle Experimente dieser Art wie GEO600 (Deutschland/Großbritannien) und LIGO (USA) benutzen Lichtstrahlen, die in langen Tunneln hin- und herlaufen. Ein Unterschied in der Länge der Laufstrecke, wie er durch eine durchlaufende Gravitationswelle verursacht würde, könnte mittels Interferenz mit einem Kontrolllichtstrahl nachgewiesen werden. Um auf diese Art eine Gravitationswelle direkt zu detektieren, müssen minimale Längenänderungen – etwa 1/10.000 des Durchmessers eines Protons – in Bezug auf die Gesamtlänge der Messapparatur festgestellt werden. Diese Experimente laufen bereits seit einigen Jahren, konnten aber bisher noch nicht den erhofften Nachweis erbringen.

Die allen bekannten Laserpointer blinken gewöhnlich rot oder grün auf, aber nur mit einer schwachen Leistung von weniger als 1 Milliwatt. Die bisher in der Gravitationswellenastronomie benutzten Laser verfügen über Leistungen von 10-50 Watt. Sie sind somit etwa zehntausend Mal heller als die Lichtzeiger. Zudem sind die Laser für das menschliche Auge unsichtbar, denn sie arbeiten im infraroten Frequenzbereich. Die sehr starke Leistung und der Infrarotbereich machen solche Laser aber besonders wertvoll für Forschungszwecke. Die optischen Systeme der Gravitationswelleninterferometer sehen nämlich besonders scharf bei infraroten Wellenlängen und je höher die Leistung eines Lasers ist, um so präziser messen die Detektoren.

Der jetzt vom AEI und dem LZH neu entwickelte und gebaute Hochleistungslaser kommt bei der nächsten Generation von Gravitationswellendetektoren zum Einsatz. Er ist noch einmal um das rund Zehnfache stärker als seine Vorgänger. Er besitzt eine Leistung von 200 W bei einer Wellenlänge von 1.064 nm und zeichnet sich durch bisher unerreichte Stabilität von Leistung und Frequenz aus. Damit ist er weltweit der erste seiner Art, den die Wissenschaftler in einen Gravitationswellendetektor einbauen werden. Diese Entwicklung wurde auch durch SFB/TR7 ermöglicht.

Der 200-Watt-Laseroszillator wird eine neue Ära bei den Gravitationswellendetektoren starten und im Advanced LIGO, der Weiterentwicklung vom LIGO (Laser-Interferometer Gravitationswellen-Observatorium) Anwendung finden. Dieses Instrument wurde nochmals umfangreich verbessert; es kann jetzt, nachgerüstet mit dem neuen Hochleistungslaser, das 1000-fache Volumen mit der gleichen Empfindlichkeit wie bisher untersucht werden.

Verwandte Webseiten:

• Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik – Albert-Einstein-Institut

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Laser Zentrum Hannover e. V..

Eines der erklärten Aufgabengebiete der Exobiologie ist die Suche nach extraterrestrischem Leben und die Ergründung und Erforschung der Umwelt-bedingungen, welche die Entstehung und Weiterentwicklung von Leben in unserem Universum ermöglichen. Hierzu startet die europäische Weltraumagentur ESA in den Jahren 2016 und 2018 in Kooperation mit der amerikanischen Weltraumbehörde NASA in zwei Etappen die Mission ExoMars. Im Rahmen dieser unbemannten Erkundungsmission zu unserem äußeren Nachbarplaneten wird ab dem Januar 2019 auch ein Rover auf der Oberfläche des Mars zum Einsatz kommen.

Im Gegensatz zu den gegenwärtig von der NASA betriebenen Marsrovern Spirit und Opportunity, welche in erster Linie auf geologische Fragestellungen spezialisiert sind, wird dieser Rover in seiner wissenschaftlichen Zielsetzung in erster Linie auf biologische Untersuchungen ausgerichtet sein und auf dem Mars nach Anzeichen für einstiges oder sogar noch gegenwärtig existierendes Leben suchen.

Eines der zentralen Analyseinstrumente des ExoMars-Rovers wird das „Mars Organic Molecule Analyser“-Instrument MOMA sein. Hierbei handelt es sich um ein spezielles Massenspektrometer, welches für die Detektion von flüchtigen Molekülen in der Marsatmosphäre und sedimentären Materials eingesetzt werden wird. Im Rahmen seiner Aufgabenstellung soll MOMA bei der Suche nach Spuren von Leben suchen, indem es eventuell vor Ort vorhandene organische Materie identifiziert und analysiert. Sollte man bei diesen Analysen organische Moleküle wie etwa Kohlenwasserstoffe nachweisen können, so könnten diese Hinweise auf mögliche Formen von früherem oder gegenwärtigen Leben auf dem Mars liefern.

Zu den Kernkomponenten von MOMA wird ein weltraumqualifiziertes Laserdesorptions-Massenspektrometer (LD-MS) zählen, welches einen diodengepumpten Festkörperlaser im UV-Spektralbereich beinhaltet. Durch Laserdesorption werden im Verlauf der Analysen nicht verdampfbare Moleküle in die Gasphase gebracht und dabei schwach ionisiert, so dass sie anschließend im Massenspektrometer nachgewiesen werden können. Für diesen Vorgang wird ein kompakter, gepulst betriebener Laser mit einer Emissionswellenlänge von 266 nm und einer Laserpulsenergie von mehr als 250 µJ benötigt. Ein derartiges weltraumgeeignetes Lasersystem steht jedoch bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt weltweit noch nicht zur Verfügung.

Für die Entwicklung und Qualifizierung dieser für das MOMA-Instrument entscheidenden Technologie werden der Gruppe „Space Technologies/Abteilung Laserentwicklung“ am Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) ab sofort Finanzmittel in Höhe von rund drei Millionen Euro aus dem nationalen Förderprogramm „Erforschung des Weltraums“ zur Verfügung gestellt. Im aktuellen Vorhaben soll ein bereits existierendes Prototypen-Lasersytem bis zum Jahr 2014 zu einem einsatzreifen Flugmodell weiterentwickelt werden.

Die Hauptaufgabe des LZH besteht dabei in der Entwicklung des eigentlichen Festkörperlaserkopfes. Die dabei gegebenen sehr hohen technischen Anforderungen für einen Weltraumeinsatz erläutert Dr. Jörg Neumann, der zuständige Projektleiter am LZH, mit den folgenden Worten: „Als besonders anspruchsvoll stellen sich die großen Temperaturunterschiede im Tag-Nacht-Wechsel auf dem Mars dar. Dazu kommen mechanische Erschütterungen auf dem Weg zum Mars sowie kosmische ionisierende Strahlung. Die Herausforderung besteht darin, den Laser stabil genug für diese Belastungen zu bauen und dabei gleichzeitig leicht, klein und kompakt.“

Die Ingenieure der Abteilung Laserentwicklung des LZH setzen dabei auf einen passiv gütegeschalteten Nd:YAG-Oszillator, welcher mittels optischer Faser longitudinal gepumpt wird. Das infrarote Licht des Oszillators wird dabei mit Hilfe nichtlinearer Kristalle in ultraviolette Strahlung umgewandelt. Eine thermale Regelung soll auch bei wechselnden Umgebungstemperaturen die Funktionalität des Instruments gewährleisten.

Dr. O. Roders, der zuständige Projektleiter für das MOMA-Instrument am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS), sieht in der Kooperation mit dem LZH eine hervorragende Kombination von bereits bestehenden Know-how: „In Hannover arbeiten die absoluten Spezialisten für die benötigte UV-Lasertechnologie. Wir liefern mit unseren Erfahrungen in Bezug auf die Anforderungen extremster Weltraumbedingungen die passende Laserelektronik.“

Bis zu einem weltraumtauglichen Flugmodell liegen zwar noch mehrere Jahre intensiver Entwicklungsarbeit vor der Gruppe, aber erste Tests mit dem Prototypen zeigen bereits vielversprechende Ergebnisse. So konnte der Laserkopf bei den bisher erfolgten Erprobungen ionisierenden Bestrahlungen, mechanischen Vibrationen und einem Thermal-Vakuum-Test erfolgreich widerstehen.

Die Entwicklung des Laserdesorptions-Massenspektrometers wird von der Raumfahrt-Agentur des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter dem Förderkennzeichen 50 QX 1002 gefördert.

Der Beitrag Die Entwicklung der Instrumente für den ExoMars-Rover erschien zuerst auf Raumfahrer.net.