Am 15. September 2026 wird die europäische Erdbeobachtungsmission FLEX (Fluorescence Explorer) planmäßig ins All starten, um die Gesundheit von Pflanzen aus der Erdumlaufbahn zu überwachen. Im Zentrum dieser Mission stehen hochmoderne optische Komponenten, die vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena entwickelt wurden. Diese Technologien zielen darauf ab, die Fluoreszenz von Pflanzen zu analysieren, die durch Sonnenlicht angeregt wird. Die gewonnenen Daten sollen wertvolle Einblicke in die photosynthetische Aktivität, den Gesundheitszustand und den Stress von Pflanzen liefern.
Die Mission FLEX nutzt ein spezielles Spektrometer, das als „Fluorescence Imaging Spectrometer“ (FLORIS) bekannt ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Spektrometern, die in der Regel nur einen Lichtkanal verwenden, verfügt FLORIS über zwei Kanäle. Der erste Kanal ermöglicht hochaufgelöste Messungen in einem engen Wellenlängenbereich, während der zweite Kanal ein breiteres Spektrum erfasst. Diese innovative Herangehensweise erfordert eine hochpräzise Doppelspalt-Baugruppe, deren Konstruktion an der technologischen Grenze stattfindet.
Dr. Falk Kemper, Projektleiter des FLEX-Projekts am Fraunhofer IOF, erklärt: „Die Fluoreszenzsignale von Pflanzen sind extrem schwach. Um diese zuverlässig zu analysieren, müssen die optischen Komponenten mit höchster Präzision gefertigt werden.“ Die Doppelspalt-Baugruppe ist entscheidend für die Kombination von hoher spektraler Auflösung und breiter Spektralabdeckung. Jeder der beiden Schlitze ist 44,15 Millimeter lang und exakt 85 Mikrometer breit, mit einer zulässigen Abweichung von nur plus/minus einem Mikrometer. Abweichungen von diesen Maßen können die Menge des einfallenden Lichts auf die Detektoren negativ beeinflussen und somit die Qualität der Messergebnisse beeinträchtigen.
Zur Herstellung dieser präzisen Komponenten haben die Wissenschaftler am Fraunhofer IOF eine spezielle lithografische Prozesskette für die Bearbeitung von Silizium-Wafern entwickelt. Dabei wurden die Wafer maskiert, strukturiert und durch einen zeitgesteuerten Nassätzprozess bearbeitet. Um die erforderlichen optischen Eigenschaften zu erreichen und unerwünschte Reflexionen zu minimieren, erhielten die Schlitze zudem eine spezielle schwarze Beschichtung. Die präzise Positionierung der Schlitze in der mechanischen Halterung stellt eine weitere Herausforderung dar. Das empfindliche Siliziumelement muss mit weniger als fünf Mikrometern Toleranz parallel zu den Blenden platziert werden, wobei die Ebenheit der Spalte unter zehn Mikrometer liegen muss. Diese Anforderungen sind entscheidend, damit die Baugruppe den extremen Bedingungen während des Raketenstarts standhält, einschließlich heftiger Vibrationen und Temperaturschwankungen.
Zusätzlich zur Doppelspalt-Baugruppe hat das Fraunhofer IOF zwei hochpräzise Spiegel gefertigt, die das einfallende Licht auf die Detektoren des Spektrometers lenken. Diese Spiegel verfügen über eine Oberflächenrauheit von nur 0,3 Nanometern, was etwa dem Abstand von ein bis zwei Atomen entspricht. Diese extremen Anforderungen sind notwendig, um die Messgenauigkeit und Sensitivität des Instruments zu gewährleisten.
Die FLEX-Mission der ESA zielt darauf ab, globale Karten der Pflanzenfluoreszenz zu erstellen. Diese Fluoreszenz ist ein Produkt der Photosynthese und dient als Indikator für die Aktivität von Pflanzen und deren Reaktion auf Stressfaktoren wie Trockenheit oder hohe Temperaturen. Die Daten, die durch FLEX gesammelt werden, sollen nicht nur die Beobachtung von Ökosystemen und landwirtschaftlichen Flächen verbessern, sondern auch neue Grundlagen für Klima- und Vegetationsforschung schaffen.
Die Entwicklung der Doppelspalt-Baugruppe erfolgte im Auftrag der OHB System AG, während die Integration des Spektrometers und die weiteren Vorbereitungen für die Mission von Leonardo S.p.A. und Thales Alenia Space geleitet werden. Auftraggeber der gesamten Mission ist die ESA, die mit FLEX einen bedeutenden Schritt zur Verbesserung des Verständnisses der globalen Pflanzenaktivität unternimmt.
Das Fraunhofer IOF in Jena ist bekannt für seine anwendungsorientierte Forschung im Bereich der Photonik und entwickelt innovative optische Systeme, die von der Lichtproduktion bis zur Anwendung reichen. Die Institution beschäftigt rund 500 Mitarbeiter und erzielt ein jährliches Forschungsvolumen von etwa 40 Millionen Euro. Weitere Informationen über die Arbeit
