Technologie

Miniatur-Laser für die Suche nach Leben auf dem Mars

20.04.2022 - Raman-Spektrometer mit diodengepumpten Festkörperlaser in der Größe einer 50-Cent-Münze.

Auch wenn der für Herbst dieses Jahres geplante Start der Mission ExoMars aufgrund der aktuellen politischen Entwicklung zur Disposition steht, ist im Rahmen der Forschungs­arbeit für die Mission am Fraunhofer-Institut für angewandte Optik und Feinmechanik in Jena ein Analyse­system für den Einsatz im Weltraum entstanden: Für das mobile Labor des ExoMars-Rovers entwickelten die Forscher ein miniatu­ri­siertes Lasermodul. Dabei handelt es sich um ein Raman-Spektrometer mit einem dioden­gepumpten Festkörper­laser in der Größe einer 50-Cent-Münze.

Um Spuren von extra­terres­trischem Leben auf dem Mars zu suchen, soll der Rover „Rosalind Franklin“ die minera­lo­gischen Verbindungen auf der Mars­ober­fläche analysieren. Mit an Bord wird das Gefährt dafür einen Bohrer sowie eine Reihe wissen­schaft­licher Instrumente haben. Eines davon ist das Raman-Spektrometer. Mit ihm kann die Streuung von Licht an Molekülen zum Beispiel in der Atmosphäre oder an Festkörpern wie Gesteins­proben untersucht werden.

Konkret funktioniert das Raman-Spektrometer so: Das ausgesendete Laserlicht tritt in Wechsel­wirkung mit der zu analy­sie­renden Materie. Hierbei entsteht der 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.

Der grüne Laser aus Jena arbeitet mit einer Wellenlänge von 532 Nanometern und mehr als 100 Milliwatt. „Insgesamt sieben Jahre Entwick­lungs­zeit haben unsere Forsche­rinnen und Forscher investiert, um das Modul an die besonderen Heraus­forde­rungen des Einsatzes im Weltall anzupassen“, erklärt Erik Beckert, Projekt­leiter des ExoMars-Lasers am Fraunhofer-IOF. Typisch für Weltraum­projekte ist die Notwendig­keit zu besonders kleinen und leichten Bauteilen. So bringt der Laser inklusive Gehäuse gerade einmal fünfzig Gramm auf die Waage.

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 bei Start und Landung des Rovers.

Herkömmliche Verfahren zur Montage optischer Bauteile sind für solche extremen Bedingungen nicht geeignet. „Aus diesem Grund haben wir alle Komponenten des empfind­lichen Laser­resonators und der Sekundär­optik mittels einer laser­basierten Löttechnik mitein­ander verbunden“, erläutert Beckert. „Sie gewähr­leistet eine besonders hohe Stabilität gegenüber thermischen sowie mechanischen Einflüssen und intensiven Strahlungs­belastungen.“ Insgesamt fünf baugleiche Laser hat das Institut gemeinsam mit dem spanischen Laser­her­steller Monocrom in den vergangenen Jahren zur Verwendung im Raman-Spektrometer realisiert. Jetzt hoffen die Forscher, dass ihre Technik bald mit der Mars-Mission ins All starten kann.

FG / RK

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