Faszination Technik Wie Gesteinsproben auf dem Mars analysiert werden

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Fraunhofer IOF

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: ein Miniatur-Lasersystem, das durch Wellenlängenveränderungen Rückschlüsse auf die Beschaffenheit der Materie zieht.

Gab es Leben auf dem Mars? Dieser Frage will die Europäische Weltraumbehörde (ESA) mit ihrer Exo-Mars-Mission nachgehen. Um Spuren von extraterrestrischem Leben auf dem Mars zu suchen, soll der Rover „Rosalind Franklin“ rund 56 Millionen Kilometer von der Erde entfernt bald die mineralogischen Verbindungen auf der Marsoberfläche analysieren. Mit an Bord werden neben einem Bohrer eine Reihe wissenschaftlicher Instrumente sein. Eines davon ist ein sogenanntes Raman-Spektrometer. Mit ihm kann die Streuung von Licht an Molekülen zum Beispiel in der Atmosphäre oder an Festkörpern wie Gesteinsproben untersucht werden. Das Herzstück der weltraumtauglichen, stark miniaturisierten Laserquelle des Spektrometers ist ein diodengepumpter Festkörperlaser mit Frequenzverdopplung, aufgebaut am Fraunhofer IOF in Jena.

Die Funktionsweise des Raman-Spektrometers

Nach Angaben des Fraunhofer IOF funktioniert das Raman-Spektrometer so: Das ausgesendete Laserlicht tritt in Wechselwirkung mit der zu analysierenden Materie. Hierbei entsteht der sogenannte Raman-Effekt. Dabei geht Energie vom Licht auf die Materie über und umgekehrt. Diese Veränderung der Lichtenergie zieht eine Änderung seiner Wellenlänge nach sich. Anschließend wird das Licht an das Spektrometer zurückgestreut und dort auf seine Wellenlängenveränderungen hin untersucht. Aus diesen Abweichungen zur ursprünglichen Frequenz des Ausgangslichts lassen sich Rückschlüsse auf die Beschaffenheit der Materie ziehen.

Weltraumprojekte erfordern kleine, leichte und robuste Bauteile

Typisch für Weltraumprojekte ist die Notwendigkeit zu besonders kleinen und leichten Bauteilen. Doch weder Leistung noch Robustheit dürfen unter der Miniaturisierung leiden. Die empfindlichen optischen Bauteile müssen zudem so konstruiert sein, dass sie großen Temperaturschwankungen zwischen -130 und 24 Grad Celsius und hohen Strahlenbelastungen im All ebenso standhalten wie den starken Vibrationen beim Start und der Landung des Rovers.

Wie das Fraunhofer IOF mitteilt, waren sieben Jahre Entwicklungszeit nötig, um das Modul an die besonderen Herausforderungen des Einsatzes im Weltall anzupassen. Jetzt arbeitet der eingesetzte grüne Laser mit einer Wellenlänge von 532 Nanometern und mehr als 100 Milliwatt. Er bringe inklusive Gehäuse gerade einmal 50 Gramm auf die Waage, heißt es.

Laserbasierte Löttechnik als Fügeverfahren

Laut Fraunhofer IOF sind herkömmliche Verfahren zur Montage optischer Bauteile sind für die extremen Bedingungen im Weltall nicht geeignet. Aus diesem Grund wurden alle Komponenten des empfindlichen Laserresonators und der Sekundäroptik mittels einer laserbasierten Löttechnik miteinander verbunden. Sie gewährleiste eine besonders hohe Stabilität gegenüber thermischen sowie mechanischen Einflüssen und intensiven Strahlungsbelastungen.

Das Jenaer Institut hat gemeinsam mit dem spanischen Laserhersteller Monocrom fünf baugleiche Laser zur Verwendung im Raman-Spektrometer realisiert. Zu sehen ist das miniaturisierte Lasermodul auf der Laser World of Photonics in München.

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