Faszination Technik So bekämpft deutsche Technik vom All aus den Klimawandel

Von Sebastian Hofmann

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: ein neues Spiegelteleskop aus Deutschland für die Internationale Raumstation.

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Etwa zwei Hand breit und ein halbes Kilo (560 g) schwer: Dieses Spiegelteleskop wird als Teil der ISS ab Februar Daten zur Oberflächentemperatur der Erde sammeln.
Etwa zwei Hand breit und ein halbes Kilo (560 g) schwer: Dieses Spiegelteleskop wird als Teil der ISS ab Februar Daten zur Oberflächentemperatur der Erde sammeln.
(Bild: Fraunhofer IOF)

Wenn Sie den richtigen Moment abpassen, können Sie sie sogar mit bloßem Auge erkennen: die Internationale Raumstation ISS. Fast 400 km über unseren Köpfen rast das Forschungslabor mit 28.000 km/h um die Erde – und braucht für eine Umrundung gerade mal eineinhalb Stunden.

Mit an Bord ist bald auch ein neues Spiegelteleskop aus Deutschland. Konstruiert und gebaut wurde es von Forschenden der Fraunhofer-Institute für angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) und für Kurzzeitdynamik (EMI) sowie von den Fraunhofer-Ausgründungen Spaceoptix und Constellr. Ihr Ziel: die Ernährungssicherheit in Zeiten des Klimawandels weltweit zu erhöhen.

Und so soll es funktionieren: Mit dem Teleskop wird die von der Erde kommende Infrarotstrahlung eingefangen und durch den nachfolgenden Sensor deren Oberflächentemperaturen gemessen. „Diese Daten liefern uns bislang unerschlossenes Wissen zur Pflanzengesundheit und Wasserqualität auf dem ganzen Planeten“, erklärt Max Gulde, CEO der Fraunhofer-EMI-Ausgründung Constellr und Verantwortlicher für die Entwicklung des gesamten Messinstruments. „Damit lassen sich die komplexen Folgen des Klimawandels künftig zuverlässiger einschätzen und Vorhersagen über Ernteerträge frühzeitiger treffen. Landwirten weltweit können wir so zum Beispiel Tipps dazu geben, wie sie ihre Felder effektiver bewässern und wann der optimale Zeitpunkt zum Einfahren der Ernte ist.“

Anspruchsvolle Konstruktionsarbeit

Eine besondere Herausforderung für die Konstrukteure des Spiegelteleskops waren die extremen Einsatzbedingungen im Weltraum. „Das fängt an mit der geforderten hohen mechanischen Stabilität“, weiß Henrik von Lukowicz, Projektleiter am Fraunhofer IOF und zuständig für die Entwicklung des Teleskops. „Beim Start mit einem Trägersystem entstehen massive Belastungen – bis zum 150-fachen der normalen Erdbeschleunigung. Trotzdem müssen alle Komponenten fest in ihrer Position bleiben. Schließlich wurden die Spiegel im Inneren des Teleskops bis auf einzelne tausendstel Millimeter zueinander justiert.“

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Um das zu erreichen, entwickelten die Konstrukteure mit Hilfe numerischer Simulationen ein steifes und robustes Mechanik-Design. Getestet wurde die gefertigte Baugruppe anschließend noch auf einem Shaker, den den Raketenstart nachstellt. Das Optik-Design des Teleskops basiert auf vier Spiegeln, die das eingehende Licht auf die gewünschten optischen Eigenschaften bringen (Vergrößerung, Brennweite, Auflösung). Der vierte Spiegel dient als Umleitung auf den benachbarten Sensor.

So funktioniert das Spiegelteleskop: Das Licht gelangt durch die runde Öffnung auf der (von vorne betrachtet) rechten Seite und trifft auf den ersten von vier goldbeschichteten Spiegeln im Inneren. Diese leiten es dann nach links weiter zu einer kryogekühlten Sensoreinheit (nicht im Bild). Dort wird die Infrarotstrahlung als Temperatur ausgewertet.
So funktioniert das Spiegelteleskop: Das Licht gelangt durch die runde Öffnung auf der (von vorne betrachtet) rechten Seite und trifft auf den ersten von vier goldbeschichteten Spiegeln im Inneren. Diese leiten es dann nach links weiter zu einer kryogekühlten Sensoreinheit (nicht im Bild). Dort wird die Infrarotstrahlung als Temperatur ausgewertet.
(Bild: Fraunhofer IOF)

Ebenso unverzichtbar sei die Temperatursensibilität der Baugruppe gewesen, so von Lukowicz: „Die Raumstation wechselt alle 45 min zwischen Tag- und Nachtseite – für das Teleskop und den angeschlossenen kryogekühlten Sensor hat das Temperaturschwankungen von mehreren Hundert Grad zur Folge.“ Deshalb entschied sich das Team für ein sogenanntes „athermales Design“, das heißt: Es wurden nur Materialien mit gleichem Wärmeausdehnungskoeffizienten genutzt. „So konnten wir das Teleskop zwar bei Zimmertemperatur fertigen, seine optischen Eigenschaften bleiben aber selbst beim Einsatz von -150 bis 100 °C gleich. Es entstehen keine Spannungen oder Deformationen im Objekt.“

Muster für Satellitenschwarm

In den Weltraum starten soll das Spiegelteleskop im Februar 2022. Dort wird seine Funktionsweise von den Astronauten getestet und, wo nötig, nachjustiert. Arbeiten schließlich alle Systeme fehlerfrei, will die Nasa einen Schwarm aus zehn bis mehreren Hundert baugleichen Mikro-Satelliten auf Basis der Konstruktion aus Deutschland ins All schicken. Diese Schuhkarton-großen Flugobjekte sollen dann 24/7 Temperaturdaten der gesamten Erdoberfläche liefern und dabei unterstützen, die weltweite Ernährungssicherheit zu gewährleisten.

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