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-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-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 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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• **ISS** Forschung und Forschungseinrichtungen

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