Ein weiterer Meilenstein innerhalb des ExoMars-Programms der European Space Agency (ESA) wurde kürzlich von Wissenschaftlern des Fraunhofer IOF in Jena erreicht. Die für 2020 angesetzte Mission hat das Ziel, die Marsoberfläche auf ihre mineralogische Zusammensetzung hin zu untersuchen und somit Leben auf dem Mars nachzuweisen. Dafür bauten die Jenaer Forscher rund um Gruppenleiter Dr. Erik Beckert in Kooperation mit dem spanischen Laserhersteller Monocrom einen diodengepumpten Festkörperlaser für ein Raman-Spektrometer. Dieses ist neben anderen Forschungsinstrumenten in einem Rover verbaut und soll die Geheimnisse des roten Planeten ans Tageslicht bringen.
Knapp sieben Jahre hat es gedauert, nun ist das Ziel erreicht: Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik in Jena haben erfolgreich ihr Projekt abgeschlossen und werden Anfang August insgesamt fünf Laser an ihren spanischen Kooperationspartner Monocrom und die spanische Weltraumagentur INTA übergeben. Im Jahr 2020 sollen sie als Teil eines Raman-Spektrometers dazu dienen, die Marsoberfläche auf organischen Verbindungen und Indikatoren für biologische Aktivitäten zu überprüfen. Auch Vulkanismus oder mineralische Phasen, erzeugt durch hydrologische Prozesse, können durch den Laser nachgewiesen werden. Dabei wird das vom Laser ausgesendete Licht von der Atmosphäre oder einem festen Ziel an das Spektrometer zurückgestreut, analysiert und auf seine Zusammensetzung untersucht.
Zunächst werden die sogenannten Flight Models (FM) jedoch diversen Tests unterzogen, um sicherzugehen, dass sie den harten Anforderungen einer Weltraummission genügen. Insbesondere die Vibrationen bei Start und Landung, die Strahlenlast sowie die starken Temperaturschwankungen im Weltall stellen die Entwickler optischer Anwendungen für Raumfahrtmissionen vor große Herausforderungen, da sie zeitgleich raumfahrttechnologischen als auch wissenschaftlichen Anforderungen entsprechen müssen. Dies bedeutet im Klartext: Möglichst kleine Baugrößen und geringes Gewicht bei maximaler Ausgangsleistung und höchster Robustheit.
Spezielle Fügetechnik für mehr Stabilität und Robustheit
»Gewöhnliche Montagetechniken hätten für solch extreme Bedingungen nicht ausgereicht«, erklärt Pol Ribes-Pleguezuelo, der die Laser auf Seite des Fraunhofer IOF mitentwickelte. »Eine der Voraussetzungen der ESA lautete beispielsweise, der gesamte Laser dürfe inklusive seines Gehäuses nicht mehr als 50 Gramm wiegen - um dieses Gewicht sowie eine extreme Robustheit zu gewährleisten, kam eine spezielle Fügetechnik zum Einsatz, das sogenannte Solderjet-Bumping. Diese Form des Laserlötens bewährte sich bereits bei der Entwicklung der Qualifikationsmodelle (engl. engineering qualification model - EQM), da es im Vergleich zu geklebten Prototypen eine wesentlich höhere Stabilität des Lasers garantiert, insbesondere bei Schock-und Vibrationsbelastungen sowie schwierigen thermischen Bedingungen.«
Die endgültige Übergabe des ausgewählten Lasermoduls an die ESA ist für das erste Quartal 2018 geplant. Bis dahin sollen alle Charakterisierungs- und Funktionstests der Bauteile abgeschlossen sein. Start der Raumfahrtmission ist für das Jahr 2020 angesetzt, wenn der ExoMars-Rover mittels einer russischen Proton-Rakete von Baikonur Richtung Weltall aufbrechen soll.
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