Spektrometer

Optiken zur Darstellung elektromagnetischer Strahlen für die Beobachtung von Erde und Weltall

Als besondere Sparte der Weltraumtechnologie hat sich die Fernfelderkundung durch Satellitensysteme herausgebildet. Diese Analyse der Umwelt arbeitet mit speziellen Instrumenten, komplexen Spektrometern bzw. Sensoren. Ziele solcher Projekte sind unter anderem die Untersuchung und Überwachung des Klimas und die damit verbundene Inspektion der Luftverschmutzung oder Schadstoffbildung innerhalb der Atmosphäre. Für erfolgreiche Untersuchungen bedarf es komplexer Optikkomponenten, die extremen Umweltbedingungen standhalten und zudem stets beste Abbildungsqualitäten gewährleisten.

Elektromagnetische Strahlung wird kontinuierlich oder impulsartig von Objekten als Wellenstrahlung ausgesandt und bedarf keinem Ausbreitungsmedium. Folglich kann sie weite Strecken zurücklegen, auch im Weltraum. Insbesondere die Fernfelderkundung macht sich diese Eigenschaft zu Nutze. Die Gesamtheit, der bei der elektromagnetischen Strahlung vorkommenden Wellenlängen, reicht von kurz- bis langwellig und wird als elektromagnetisches Spektrum bezeichnet. Je nach individuellen Materialeigenschaften findet an den Grenzflächen untersuchter Objekte bzw. Materien

  • Ablenkung, Streuung oder Reflexion sowie
  • Absorption und
  • Transmission

der elektromagnetischen Strahlung statt. Um diese Strahlung zu messen, bedarf es komplexer Systeme und individuell angepasster Optiken. Neben hochwertigen Sphären, Asphären oder Spiegelsystemen kommen unter anderem leistungsstarke Sensoren (z.B. innerhalb eines Spektrometers) zur Erfassung der elektromagnetischen Strahlung zum Einsatz. Darüber hinaus werden ein Träger (Satellit), eine Platzierungs- und Steuereinheit benötigt. Zur Datenübertragung bedarf es weiterhin eines weitreichenden Datenübertragungssystems.

Die Fernerkundung der Erdatmosphäre liefert dank hochwertiger Spektrometer, die auf Satelliten verbaut sind, eine Fülle neuer, nützlicher und globaler Informationen für verschiedene Umweltanalysen. Das Spektrometer fungiert als Sensor, dessen Aufgabe es ist, in der Atmosphäre gestreutes und zudem von der Erdoberfläche reflektiertes Sonnenlicht (= elektromagnetische Strahlung) zu analysieren und zu vermessen. Dazu werden die spektralen Anteile des einfallenden Lichtes durch ein Prisma und/oder eine Gitterstruktur (Vgl. Abb.1) zerlegt und über eine mehrlinsige Kamera - eine sogenannte Multispektralkamera - aufgenommen. Die gewonnenen Spektren enthalten spezifische Informationen zum Streu- und Absorptionsverhalten der Erdatmosphäre sowie zum Reflexionsverhalten der Erdoberfläche. Dank der unterschiedlichen Spektralfarben lassen sich so z.B. Aerosol-Partikel von Wolkenpartikeln unterscheiden. Die hohe Dichte an Daten sowie die damit verbundenen aufwendigen Berechnungen, gestalten die Auswertung äußert komplex.

Spektrometer kommen u.a. in den Projekten von Sentinel-4 und Sentinel-5 zum Einsatz, Satelliten des Kopernikus-Programms, einem Gemeinschaftsprojekt der EU und der ESA. Beide sind für den ultravioletten, sichtbaren und nah-infraroten Spektralbereich, das Sentinel-5 Spektrometer zusätzlich noch für den kurzwellen-infraroten Spektralbereich geeignet. Ziele dieser Projekte sind unter anderem die Überwachung der Luftqualität über Regionen Europas und Nordafrikas (Sentinel-4) sowie Messungen von Spurengassen und Aerosolen (Sentinel-5). Als Projektpartner produzierte asphericon u.a. verschiedene hochwertige Sphären und Asphären für das Spektrometer des Sentinel-4. Die gefertigten Optiken zeichnen sich durch High-End-Oberflächenform-, Oberflächenrauheits- und Oberflächenfehlertoleranzen aus. Mehr über das Sentinel-4 Spektrometer erfahren Sie in unserer Referenzstory.

Bei asphericon erhalten Sie hoch-präzise Optiken, wie Asphären und Sphären, sowie weitere Optikkomponenten für leistungsstarke Weltraum-Spektrometer. Neben äußerst kompakten Designs, die Raum für weitere Bauelemente innerhalb eines Systems ermöglichen, garantieren wir auch bei ausgefallenen Geometrien beste Abbildungsqualitäten. Veredelungsverfahren, wie High-End-Finishings, sorgen für geringste Rauheitswerte.

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Dr. Thomas Hegenbart