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Lasertechnik Robuster Laser soll vom Weltraum aus Methan-Emissionen messen

| Redakteur: Rebecca Vogt

Ab 2021 wollen Wissenschaftler mit dem deutsch-französischen Satelliten Merlin die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich wird das Vorhaben durch ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie (ILT) in Aachen. Das System soll eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielen können.

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Das Lidar-System für die Merlin-Mission enthält alle Komponenten vom Pumplaser bis zur Frequenzkonversion in einem besonders kompakten und weltraumtauglichen Aufbau.
Das Lidar-System für die Merlin-Mission enthält alle Komponenten vom Pumplaser bis zur Frequenzkonversion in einem besonders kompakten und weltraumtauglichen Aufbau.
(Bild: Fraunhofer ILT, Aachen)

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – der Klimawandel greift um sich. Einer der Auslöser: Methan. Ein Gas, das unter anderem bei Fäulnisprozessen entsteht. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht so häufig vor – bisher.

Globale Erfassung benötigt neue Messtechnik

Seit einigen Jahren steigt die Methan-Konzentration, wie das Fraunhofer ILT mitteilt. Um den Ursachen auf den Grund zu gehen, ist es wichtig, zu messen, wo und in welcher Menge Methan in die Erdatmosphäre abgegeben wird. Eine globale Erfassung der Emissionswerte mit hoher Auflösung ermöglicht die herkömmliche Messtechnik jedoch nicht: Satellitengestützte Systeme nutzen derzeit das Sonnenlicht, um Methan aufzuspüren. Messen kann man daher immer nur auf der sonnenzugewandten Seite der Erde und bei wolkenfreiem Himmel. Die Licht-Absorption lässt Rückschlüsse auf die Moleküle zu, die in der Luft vorhanden sind.

„Unser laserbasiertes Messsystem ist vom Sonnenlicht unabhängig, daher kann man damit jederzeit und überall messen“, sagt Dr. Jens Löhring, der am Fraunhofer ILT in Aachen die neue Lasertechnik mitentwickelt. „Ziel der Mission ist, den Klimawissenschaftlern genaue globale Daten zu Methanverteilungen zu liefern, mit denen sie ihre Klimamodelle füttern können. So ist es möglich, die Klimaentwicklung besser vorherzusagen.“

Laser lässt sich exakt auf Methan einstellen

Dafür entwickeln die Wissenschaftler am Fraunhofer ILT einen Laser, der sehr präzise Einfrequenz-Lichtpulse auf die Erde senden kann. Auch hier zeigt die Licht-Absorption, ob und in welcher Konzentration Methan vorhanden ist – im Unterschied zu den Methan-Messungen mit Hilfe von Sonnenlicht allerdings wesentlich genauer. Der Laserpuls lässt sich exakt auf die Absorptionslinie von Methan bei einer vorher festgelegten Wellenlänge einstellen.

„Jedes Gas hat seinen spektralen Fingerabdruck. Es absorbiert bei bestimmten Wellenlängen besonders gut oder schlecht. Dabei ist es wichtig, dass andere Gase bei dieser Wellenlänge keine Absorptionslinie haben, damit die Messung nicht verfälscht wird“, erklärt Löhring. Der neue Laser ist ein wesentlicher Bestandteil des Lidar-Systems (Light detection and ranging) an Bord von Merlin.

Besondere Herausforderungen im Weltraum

Damit der Laser im Weltall problemlos und wartungsfrei für die Missionsdauer von drei Jahren funktioniert, muss er Temperaturwechsel von - 30 °C bis + 50 °C genauso unbeschadet überstehen wie starke Vibrationen. „Wir haben für den Laser optomechanische Bauteile, also Spiegelhalter, Linsenhalter, etc., entwickelt, die diesen Anforderungen gerecht werden und ihre sehr genaue Einstellung bewahren.“

Eine weitere Herausforderung ist, die Luft im Gehäuse um den Laser rein zu halten. „Klebstoffe führen zu einer Kontamination der Luft. Winzige Teilchen lösen sich, lagern sich auf den Spiegeln ab und zerstören die Optik. Wir haben daher beim Aufbau des Lasers ausschließlich gelötet und geschraubt – das ist eine völlig neue Technik, die das System zusätzlich robust macht und daher auch für zahlreiche Anwendungen in der Industrie und Fertigungstechnik interessant ist“, erklärt Löhring.

Das Projekt wird im Auftrag des Raumfahrtmanagements des Deutschen Zentrums für Luft-und Raumfahrt (DLR) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.

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