Mikrotechnik erobert das Weltall

Erdbeobachtungen werden immer wichtiger, aber die Erfassung und Verarbeitung von Daten aus dem Weltraum stößt derzeit noch auf Hindernisse. So dauert es lange, manchmal sogar mehrere Tage, um Informationen zu erhalten. Zudem sind die Bilder nicht immer sehr genau und zeigen nur grobe Details von etwa einem Kilometer Größe und die Erfassung des unsichtbaren Teils des Lichts ist mit den aktuellen Technologien sehr aufwendig.

Eine Lösung bieten die im EU-Projekt Surprise entwickelten und getesteten optischen Systeme mit Flächenlichtmodulatoren (spatial light modulator, SLM), die Daten aus dem Weltraum genauer erfassen. Das im Juni abgeschlossene, dreieinhalbjährige Projekt hat bei den Forschungs- und Entwicklungsarbeiten Interessengruppen und Verbreitungsmaßnahmen einbezogen, um eine erfolgreiche Nutzung der Forschungsergebnisse zu gewährleisten.

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS brachte langjährige Expertise auf dem Gebiet der Flächenlichtmodulatoren ein. Hauptaufgabe des Instituts war die die Erstellung einer Machbarkeitsstudie und Entwicklungs-Roadmap für einen ersten vollständig in Europa entwickelten Flächenmodulator, der auch im Weltraum arbeiten kann. Außerdem hat das Fraunhofer IPMS auch bei der Entwicklung eines Demonstrators unterstützt.

Diese Flächenlichtmodulatoren bestehen aus Tausenden oder sogar Millionen einzelner beweglicher Spiegel mit einer Größe von jeweils nur wenigen Mikrometern. Die größten Herausforderungen waren dabei die Weltraumtauglichkeit aller Komponenten sowie die Abdeckung eines breiten Spektralbereichs vom sichtbaren bis zum mittleren Infrarot. Darüber hinaus war eine Datenverarbeitungs- und Verschlüsselungsfunktionalität an Bord erforderlich.

Das Projekt setzte die Compressive-Sensing-Technologie (CS) ein, die die Aufnahme eines flächenhaften Bildes mit einem Ein-Pixel-Detektor ermöglicht. Dies ist besonders für den mittleren Infrarotbereich interessant, da in diesem Spektralbereich keine geeigneten 2D-Detektoren zur Verfügung stehen. Gleichzeitig bietet CS Vorteile bei der Verarbeitung großer Datenmengen sowie eine native Datenverschlüsselung. Mithilfe von Flächenlichtmodulatoren lassen sich variable Bildmuster mit hoher Geschwindigkeit erzeugen. Diese Muster werden mit der Beobachtungsszene überlagert und von Ein-Pixel-Detektoren aufgenommen.

2022 absolvierte ein SLM des Fraunhofer IPMS erfolgreich einen Test unter Weltraumbedingungen. Das 256 x 256 Pixel große Bauelement wurde besonders hinsichtlich Temperatur (von -40 bis 80 °C), Vakuum (< 10 - 5 mbar) und Vibrationen in der X-, Y- und Z-Achse evaluiert. Kein einziger Pixel fiel aus. Diese experimentellen Erkenntnisse bestätigen zusammen mit den Simulationsergebnissen die Robustheit der Flächenlichtmodulatoren und ermutigen zu weiteren Aktivitäten für die Entwicklung einer weltraumspezifischen SLM-Technologie.

Durch die erstmalige Einführung des Konzepts einer Nutzlast mit mittlerer räumlicher Auflösung und nahezu kontinuierlicher stündlicher Wiederholung können die Ergebnisse des Projekts zu einem Durchbruch in der Erdbeobachtung führen und bestehende operative Dienste ergänzen. Das betrifft etwa die Brandüberwachung oder die Überwachung der Farbe der Ozeane.