Kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) in der SMART-1 Mondmission

Einleitung

SMART-1, die Mission der Europäischen Raumfahrtorganisation für fortgeschrittene Forschung und Entwicklung ist derzeit auf dem Weg zum Mond und trägt ein Experiment zur Abbildung von Asteroiden und dem Mond (AMIE) an Bord. AMIE beabsichtigt, das gesamte sichtbare Spektrum des Mondes in drei dedizierten Spektralregionen mit einer einzigen Kamera abzubilden. Eine bedeutende Reduzierung der Systemkomplexität und des Gewichts konnte erreicht werden. Die Herausforderung bestand darin, einen speziellen Filter herzustellen, der vor der Kamera montiert werden kann und das transmittierende Licht durch vordefinierte Unter-Areale in verschiedene spektrale Regionen teilt. Diese Aufgabe wurde durch die KMU Initiative der ESA an das deutsche Unternehmen Optische Interferenz Bauelemente GmbH (OIB) weitergegeben, welche mit dem Projekt zur Entwicklung dieser Technologie betraut wurde.

Geförderte Aktivitäten

Die fokalen Filter erforderten, dass die verschiedenen Unter-Areale die gleiche optische Dicke besitzen, um hochauflösende Aufnahmen der Mondoberfläche zu ermöglichen. Diese Anforderung kann nur mit Hilfe eines Dünnschichtsystems auf beiden Seiten des Glasssubstrates realisiert werden, in welchem sich die Kanten mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern (µm) aneinander anschließen. Die benötigten Kantenqualitäten überstiegen die Grenzen konventionell verfügbarer Technologien.
Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, wurde eine Kooperation ins Leben gerufen, die die innovativen Fähigkeiten zweier deutscher KMU zusammenführt.

1. OIB produzierte das Dünnfilm-Interferenz-Schichtsystem mit den gewünschten spektralen Eigenschaften.
2. Die Supracon AG Jena wurde damit beauftragt, die Beschichtungsmasken mit der notwendigen Kantenqualität herzustellen.

Während des Beschichtungsprozesses wurden zunächst verschiedene chemische Hydroxidschichten hergestellt, welche nach dem Entfernen der Beschichtungsmasken in Oxide umgewandelt wurden. Dies war der entscheidende Schritt, um eine Dünnfilmbeschichtung bei niedrigeren Temperaturen zu ermöglichen. Die Masken wurden nach der lift-off-Technologie hergestellt und an die Erfordernisse der optischen Dünnfilmbeschichtung angepasst. Infolge der engen Kooperation der beiden Unternehmen war es möglich, erfolgreich eine Technologie zur Herstellung von fokalen Filtern zu entwickeln, welche die vorherbestimmten Anforderungen in vollem Umfang erfüllen.
 

Abbildung 1 zeigt die Kantenqualität der benachbarten Unter-Areale des FPFM Filter. Der dicke Streifen repräsentiert eine 8µm weite Überlappung zweier benachbarter Schichtsystemen bestehend aus 38 optischen Schichten.

Der dünne Streifen zeigt die 2 µm große Filterkante der optischen Schichten. Jeder der optischen Dünnfilm-Schichtsysteme hat eine Dicke von 4,7 µm.  

Abbildung 2 zeigt drei komplette fokale Filter erleuchtet im transmittierenden Licht. Jeder Filter hat ein Ausmaß von 15 x 18 x 1 mm und enthält sieben Segmente mit unterschiedlicher optischer Funktion.

Der komplette Filter besteht aus 314 lateralen optischen Schichten die übereinander angeordnet sind.


 

Abbildung 3. SMART - 1: ultra - kompakte elektronische Kamera AIMIE






 

Technologie und Anwendungen

Die Technologie zur Herstellung der strukturierten Spektralfilter höchster Leistungsfähigkeit wurden erfolgreich getestet und der ESA demonstriert. Die Ergebnisse zeigten eine exzellente Zuverlässigkeit und es wurde entschieden, dass die Filter in die AIMIE Kamera eingebaut werden.

Eine der Zielsetzungen der SMART-1 Mission war es, die Mondoberfläche abzubilden, um mehr über die Entstehungsgeschichte des Mondes zu erfahren. Die derzeitige Hypothese ist, daß der Mond das Resultat einer kolossalen Kollision mit der frühen Erde ist. Wenn diese Theorie korrekt ist, dann enthält der Mond weniger Eisen im Verhältnis zu leichteren Elementen wie Magnesium oder Aluminium als die Erde. Durch eine erstmalige umfassende Messung der relativen Mengen an chemischen Elementen des Mondes kann SMART-1 einen entscheidenden Beitrag zu dieser wissenschaftlichen Fragestellung leisten.

AMIE wird es den Wissenschaftlern ermöglichen, die Topographie und die Textur der Oberfläche des Mondes neu zu studieren. Die Kamera misst Licht mit einer Millionen Pixelpunkten in einem Sichtfeld von 5°. Der FPFM unterteilt das Feld in ein klares Gebiet ohne Filterung und drei Filtergebiete, die es erlauben, den tiefen roten sowie drei kurze infrarote Spektralbänder auszuwählen. Durch die Beobachtung von ausgewählten Regionen aus unterschiedlichen Winkeln und unter verschiedenen Lichtbedingungen, wird AMIE Aufschlüsse über die chemische Zusammensetzung und die geologische Geschichte liefern, die helfen sollen ein Verständnis über die Entwicklungsgeschichte der Mondoberfläche zu gewinnen.

Instrumente und Techniken, die zur Untersuchung des Mondes von SMART-1 eingesetzt werden, so wie AMIE, werden später ESA´s BepiColombo Satelliten zur Erkundung des Planeten Merkur helfen.
 

Zukunftsperspektiven

Der Trend in Richtung Miniaturisierung von optischen Messtechnologien hat dazu geführt, daß eine neue Generation von Messgeräten entstanden ist. Diese Geräte eröffnen vollkommen neue Anwendungsmöglichkeiten in der optischen Messtechnologie. Während in früheren Jahren sperrige Equipments stationär arbeiteten und Untersuchungsobjekte zum Geräte gebracht werden mussten, kann man mit portablen Geräten nunmehr für die Messung am Ort des Objektes durchgeführt werden. Die Miniaturisierungsanforderung hat die Standards der optischen Komponentenfertigung vorangetrieben. OIB glaubt, dass ihre innovativen Technologien diese neuen Herausforderungen erfüllen. Es wurden schon zwei vielversprechende Anwendungen identifiziert.

1. Strukturierte Vorauswähler für CCD Linienspektrometer
2. Transfer von optischen Maskenstrukturen für Spektralanalyser in optischer Netzwerktechnologie

Beide Anwendungen stehen für den Nutzen von leistungsfähigen strukturierten Spektralfiltern und die technologischen Prozesse, die im Rahmen der Kooperation zwischen O.I.B. GmbH Jena und der Supracon AG Jena entwickelt wurden.


Kontakt für Informationen

Mr. Eberhard Schmidt
O.I.B. GmbH Jena (D)

E-mail: e.schmidt@oib-jena.de

Telefon: +49-3641-357890
Fax: +49-3641-357891

www.oib-jena.de