Präzisionsoptik aus Jena ermöglicht pflanzliche Gesundheitsüberwachung aus dem All
Im Rahmen der ESA-Erdbeobachtungsmission FLEX, die am 15. September 2026 starten soll, werden optische Präzisionskomponenten aus Jena eingesetzt. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF haben für das an Bord befindliche Spektrometer eine Doppelspalt-Baugruppe aus Silizium sowie zwei hochpräzise Spiegel entwickelt und hergestellt. Ziel des Spektrometers ist es, die von Pflanzen durch Sonnenlicht induzierte Fluoreszenz aus dem Orbit zu messen. Die gewonnenen Daten sollen Aufschluss über die photosynthetische Aktivität, den Gesundheitszustand und Stressfaktoren der Vegetation geben.
Messprinzip und technische Anforderungen
Die ESA-Mission FLEX widmet sich der Frage, wie viel Licht Pflanzen abstrahlen und welche Rückschlüsse sich daraus auf deren Vitalität ziehen lassen. Im Zentrum steht das Fluorescence Imaging Spectrometer (FLORIS), das im Unterschied zu herkömmlichen Spektrometern mit zwei Lichtkanälen arbeitet. Ein Kanal liefert hochauflösende Informationen zu eng benachbarten Wellenlängen, während der andere einen breiteren Spektralbereich abdeckt. Die Realisierung dieser Doppelkanal-Funktion erfordert eine hochpräzise Doppelspalt-Baugruppe.
„Die Fluoreszenzsignale von Pflanzen sind äußerst schwach. Um eine zuverlässige Analyse durch FLORIS zu gewährleisten, müssen die optischen Komponenten mit höchster Genauigkeit gefertigt und montiert werden“, erläutert Dr. Falk Kemper, Projektleiter am Fraunhofer IOF. „Die Herstellung des Doppelspalts stellte eine technische Herausforderung dar, da sie eine Kombination aus hoher spektraler Auflösung und breiter Spektralerfassung ermöglicht.“
Fertigung mit Mikrometer-Genauigkeit
- Die beiden Schlitze der Doppelspalt-Baugruppe sind jeweils 44,15 Millimeter lang und exakt 85 Mikrometer breit, mit einer zulässigen Toleranz von ±1 Mikrometer.
- Abweichungen außerhalb dieser Grenzen würden die Lichtmenge, die den Detektor erreicht, verfälschen und somit die Datenqualität beeinträchtigen.
- Die Herstellung erfolgte mittels einer speziell entwickelten lithografischen Prozesskette auf Silizium-Wafern, die Maskierung, Strukturierung und zeitgesteuertes Nassätzen umfasst.
- Zur Minimierung von Reflexionen wurden die Schlitze mit einer schwarzen Beschichtung versehen.
- Die Montage erforderte eine Positionierungsgenauigkeit von unter fünf Mikrometern, wobei die Ebenheit der Spalte weniger als zehn Mikrometer betragen musste.
- Eine Kombination aus formschlüssiger Verbindung, Klemmung und Klebung gewährleistet die Stabilität der Baugruppe gegenüber den Belastungen während des Raketenstarts, einschließlich Vibrationen, Beschleunigungen und Temperaturschwankungen.
Hochpräzise Spiegel für Lichtlenkung
Zusätzlich zum Doppelspalt fertigte das Fraunhofer IOF zwei Spiegel, die in die Baugruppe integriert sind und das einfallende Licht auf die Spektrometerdetektoren lenken. Die Oberflächenrauheit der Spiegel liegt bei 0,3 Nanometern rms, was etwa dem Abstand von ein bis zwei Atomen entspricht.
Mission FLEX: Pflanzenaktivität aus dem Weltraum beobachten
Die ESA-Mission FLEX (Fluorescence Explorer) zielt darauf ab, globale Karten der pflanzlichen Fluoreszenz zu erstellen. Diese Fluoreszenz entsteht während der Photosynthese und dient als Indikator für die Aktivität der Pflanzen sowie deren Stress durch Umweltfaktoren wie Trockenheit oder Hitze. Die gewonnenen Daten sollen die Überwachung von Ökosystemen, landwirtschaftlichen Flächen und Wäldern verbessern und neue Erkenntnisse für Klima- und Vegetationsforschung liefern.
Die Doppelspalt-Baugruppe wurde vom Fraunhofer IOF im Auftrag der OHB System AG entwickelt und gefertigt. Die Integration des Spektrometers sowie die weiteren Missionsvorbereitungen wurden von Leonardo S.p.A. und Thales Alenia Space koordiniert. Auftraggeber der Mission ist die ESA.
Über das Fraunhofer IOF
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena forscht anwendungsorientiert im Bereich der Photonik und entwickelt innovative optische Systeme zur Lichtsteuerung – von der Erzeugung über die Manipulation bis zur Anwendung. Das Institut bietet die gesamte photonische Prozesskette, einschließlich opto-mechanischem und opto-elektronischem Systemdesign sowie der Herstellung kundenspezifischer Lösungen und Prototypen. Rund 500 Mitarbeitende bearbeiten ein jährliches Forschungsvolumen von etwa 40 Millionen Euro.
Weitere Informationen: www.iof.fraunhofer.de
Kontakt für wissenschaftliche Anfragen
Dr.-Ing. Falk Kemper
Fraunhofer IOF
Abteilung Opto-mechatronische Komponenten und Systeme / Projektleiter FLEX
Telefon: +49 (0) 3641 807-367
E-Mail: falk.kemper@iof.fraunhofer.de
Weiterführende Informationen
https://www.iof.fraunhofer.de/de/presse-medien/pressemitteilungen/2026/FLEX-26.html
