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Ausg.Nr._12/2017
MERLIN
I
m Jahr 2021 soll der deutsch-
französische Satellit MERLIN
zur Erforschung von Methan-
Emissionen auf der Erde gestar-
tet werden. Mit an Bord ist ein
Lasersystem, das auch unter
extremen Bedingungen präzise
arbeitet. Die Technologie da-
für wird am Fraunhofer-Institut
für Lasertechnik ILT in Aachen
entwickelt und auf der LASER
World of Photonics 2017 vorge-
stellt.
Methan wird als Klimagas noch
nicht so viel diskutiert wie Koh-
lendioxid, bei der Erderwärmung
ist es aber pro Molekül 25-mal
wirksamer. Kohlendioxid kommt
jedoch in der Atmosphäre etwa
200-mal häufiger vor und ist da-
mit absolut wirksamer. Seit 2007
steigt die Methankonzentration
in der Atmosphäre schnell an,
ohne dass die Ursachen für das
Phänomen wirklich klar wären.
Vor dieser Kulisse wurde 2010
das deutsch-französische MERLIN-
Projekt beschlossen. Der Klein-
satellit MERLIN (Methane Remote
Sensing LIDAR-Mission) soll 2021
starten und das Methan in der
Erdatmosphäre kartieren. Die
Wissenschaftler wollen so verste-
hen, in welchen Regionen Methan
in die Atmosphäre eingebracht
wird und wo es abgebaut wird.
Kernstück des Satelliten ist ein
Licht-Radar (LIDAR), das Lichtpul-
se in die Atmosphäre schickt und
aus dem vom Erdboden zurückge-
streuten Licht die Methankonzen-
tration bestimmt. Bislang wurde
für Methanmessungen mittels op-
tischen Spektrometern die Son-
nenstrahlung benötigt. Mit dem
MERLIN-LIDAR können die Werte
aber auch auf der Nachtseite der
Erde gemessen werden. Außer-
dem sind nun auch Messungen
in kleinräumigen Wolkenlücken
möglich.
Wie entwickelt man Laser
für den Weltraum?
Die Anforderungen an den Laser
für die MERLIN-Mission sind ex-
trem: Das System muss Schocks
sowie Vibrationen bis 25 grms
genauso aushalten wie thermi-
sche Wechsellasten von -30°C
bis +50°C. Außerdem sollen or-
ganische Materialien wie Kleb-
stoffe
möglichst
vollständig
vermieden werden, um nicht die
Umgebungsluft und damit die
hochreinen Spiegelflächen zu
verunreinigen. Und alles muss
nach dem Start für die Missions-
dauer von 3 Jahren störungsfrei
funktionieren.
Für Partner wie DLR, Airbus
Defence and Space, TESAT Space-
com und die ESA entwickelt das
Fraunhofer ILT seit Jahren Techno-
logien für solche weltraumtaugli-
chen Laser. Einzelne Systeme sind
schon geflogen, aber jetzt haben
die Experten mit FULAS (Future
Laser System, gefördert durch die
Europäische Weltraumorganisati-
on ESA, FKZ C0O-8/09/FF), eine
neue Technologieplattform für
Lasersysteme geschaffen. Diese
lässt sich auf unterschiedliche
Laserstrahleigenschaften
und
Missionen anpassen. Die FULAS-
High-Power-Sektion wurde 2016
fertiggestellt. Das System hat ers-
te Thermalvakuumtests unter rea-
listischen MERLIN-Bedingungen
bereits bestanden.
Für die FULAS-Plattform ent-
wickeln die Experten nicht nur
raumfahrttaugliche Komponen-
ten, sondern auch eine ganz
eigene Aufbautechnologie: Bei
den opto-mechanischen Kom-
ponenten werden alle wesentli-
chen Justierschritte mit manuell
geführten Robotern mit Hilfe des
sogenannten Pick & Align-Verfah-
rens durchgeführt. Damit ist das
Verfahren grundsätzlich automa-
tisierbar und somit auch für ande-
re Branchen interessant.
MERLIN ist auf dem Weg
zum Take-off
Auch der LIDAR-Laser für MERLIN
baut auf der FULAS Plattform auf.
Auf und unter einer speziellen
optischen Bank sind Laser-Oszil-
lator, -Verstärker und Frequenz-
konverter befestigt. Mit dem Pick
& Align-Verfahren sind die opti-
schen Komponenten justiert und
verlötet.
Die Parameter im Detail sind eine
Herausforderung: Für den LIDAR-
Betrieb soll das Lasersystem 9
mJ-Doppelpulse bei zwei Wellen-
längen um 1645 nm im Einzel-
frequenz-Betrieb liefern, wobei
einer der Pulse spektral stets ex-
akt auf eine charakteristische Me-
thanabsorptionslinie eingestellt
wird. Genutzt wird dafür ein maß-
geschneiderter Aufbau aus einem
Oszillator mit aktiver Längenrege-
lung sowie dem mehrfach preis-
gekrönten
InnoSlab-Verstärker
bei einer Wellenlänge von 1064
nm und einem längengeregel-
ten Frequenzkonverter (OPO) mit
zwei KTP-Kristallen.
Als MERLIN-Vorläufer ist das
LIDAR-System der CHARM-F Mis-
sion schon 2015 mit dem For-
schungsflugzeug HALO geflogen.
Damals hatte noch das DLR-Insti-
tut für Physik der Atmosphäre die
Frequenzkonvertierung für das
LIDAR integriert. Für MERLIN wur-
den ausgehend von der Technolo-
gieplattform FULAS Halterungs-
und Justagekonzepte für einen
optimierten OPO entwickelt und
bereits erfolgreich umgesetzt.
Die Robustheit des kompletten
OPO-Aufbaus konnte in MERLIN-
Temperaturtests nachgewiesen
werden.
Nachdem im vergangenen Jahr
der PDR-Status (Preliminary De-
sign Review) erreicht wurde, wird
aktuell der CDR-Status (Critical
Design Status) erarbeitet und
der Bau eines EQM (Engineering
Qualification Model) vorbereitet.
Dieses Modell soll später umfang-
reichen Tests unterzogen werden
und somit die Tauglichkeit für den
Einsatz im Weltraum nachweisen.
Mit den daraus gewonnenen Er-
kenntnissen wird dann das end-
gültige Flugmodell (FM) gebaut.
Die grundsätzlichen Laserpara-
meter wurden jedoch bereits an
einem Labormodell nachgewie-
sen, das auf Standardkomponen-
ten basiert.
Der Betrieb des MERLIN-Systems
im All ist in etwa 3 Jahren geplant,
die Fertigungstechnologien und
die Testprozeduren sind schon
jetzt etabliert und können für
weitere flugtaugliche Systeme
genutzt werden. Und wie so oft
in der Raumfahrt ergeben sich
interessante Synergien für ande-
re Anwendungen: Eine automati-
sierte Justierung optischer Kom-
ponenten zum Beispiel ist für die
Fertigung von Laserquellen an der
Tagesordnung.
Das MERLIN-LIDAR-Modell wird
auf der LASER World of Photo-
nics 2017 in München auf dem
Fraunhofer-Gemeinschaftsstand
A2.431
gezeigt.
Das MERLIN-Projekt wird durch
das Bundesministerium für Wirt-
schaft und Energie BMWi geför-
dert (Förderkennzeichen 50 EP
1601), Projektträger ist das Raum-
fahrtmanagement des Deutschen
Zentrums für Luft-und Raumfahrt
DLR.
Text & Bild:
Fraunhofer-Institut für
Lasertechnik ILT
Steinbachstr. 15
D-52074 Aachen
Robuste Lasertechnik für Umwelt-Satelliten
Künstlerische Darstellung des
MERLIN-Instruments auf Basis
der Myriade-Satellitenplattform.
© Foto CNES/illustration David
DUCROS, 2016.