Innovative Infrarot-Technologie erschließt neue Welten



SOFIA - ist ein Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie oder einfach ausgedrückt ein Jumbo-Jet mit einem Teleskop an Bord, das in 12 bis 14 Kilometer Höhe ein spezielles Licht von Planeten, Sternen und fernen Galaxien aufspüren soll. Für das menschliche Auge ist dieses Licht unsichtbar, seine Wellenlänge ist größer als die des sichtbaren Lichtes: Man nennt es Infrarotlicht. Sterne, Planeten und andere Himmelsobjekte senden nicht nur sichtbares, sondern auch infrarotes Licht aus. Fängt man dieses Licht auf und untersucht es, dann erfährt man sehr viel über das Weltall und besonders über die Sterne: wo und wie sie geboren werden, wie sie sich entwickeln und wie sie sterben. Leider erreicht die Erde nur ein sehr schwaches Infrarotsignal dieser Tausende von Lichtjahren entfernten Himmelskörper. Um dieses Infrarotsignal aufzuspüren, braucht es sehr empfindliche Kameras und Messinstrumente. Und die kann man leider nicht aus dem Katalog bestellen.

Deshalb arbeitet das Institut für Planetenforschung an hoch modernen Techniken und Instrumenten, insbesondere für den Wellenlängenbereich des fernen Infrarots. Das sind Wellenlängen zwischen 0,05 Millimetern und 1 Millimeter. Zum Vergleich: 0,05 Millimeter entspricht der Dicke eines Haares. Viele der Detektoren zum Nachweis infraroter Strahlung müssen mit einer Infrarot-Strahlungsquelle ausgesteuert werden. Hierbei wird die einfallende Strahlung mit der Strahlung eines Oszillators überlagert. Man nennt diese Überlagerungstechnik "Heterodyntechnik". Mit ihr arbeitet auch unser klassisches analoges Radio. Nur sind die dort beteiligten Wellen bis zu einigen Metern lang. Zurzeit sind nur Laser so leistungsstark und wellenlängengenau, dass sie Detektoren aussteuern können. Und selbst unter schwierigsten Bedingungen, wie sie in einem Flugzeug oder auf einem Satelliten herrschen, arbeiten die Laser noch präzise.

Für unseren Jumbo-Jet SOFIA haben wir ein spezielles Messgerät zum Nachweis von Strahlung im fernen Infrarot entwickelt. Ein Messgerät, das mit einem Infrarot-Laser arbeitet. Dieser Infrarot-Laser wird anders als der Farbstofflaser im Experiment des DLR_School_Labs Berlin, nicht durch einen Stickstofflaser "gepumpt", sondern durch einen Kohlendioxid-Laser. Beim "Pumpen" wird dem Infrarot-Laser die Strahlung des Kohlendioxid-Lasers zugeführt. So erzeugt der Infrarot-Laser insgesamt nur eine Leistung von ein paar Tausendstel Watt, die aber ausreicht, um die Detektoren sicher auszusteuern. Dieses Messgerät ist so empfindlich, dass es selbst die sehr schwache Infrarotstrahlung ferner Planeten und Sterne zuverlässig nachweisen kann. (vgl. Abb.)

Um in Gang zu kommen, braucht der Kohlendioxid-Laser Hochspannung. Das ist ein großes Problem, wenn man das Lasersystem auf einem Satelliten einsetzen möchte. Denn eine Erdung der Hochspannung ist im Weltall nicht möglich. Außerdem ist das Lasersystem sehr schwer und groß, eine effiziente Erzeugung der Infrarot-Strahlung ist bis heute nicht gelungen. Daher arbeiten wir nicht nur an der Optimierung des Lasersystems durch verbesserte Regelkreise und eine stärkere Stabilisierung, sondern an völlig neuen Lasertechnologien. Bei ihnen soll das gepumpte Lasersystem durch einen einzigen Laser mit Halbleiterblock ersetzt werden. Allerdings stoßen wir da auf ein anderes Problem. Der Halbleiterblock muss auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden, um die einfallende Strahlung des astronomischen Objekts von der unvermeidbaren Umgebungstrahlung zu unterscheiden und nachweisen zu können.

Ein weiteres Kapitel unserer spannenden Forschungsarbeit ist die Suche nach neuen Detektoren für das ferne Infrarot. Diese Detektoren sollen mit weniger Leistung ausgesteuert werden und irgendwann sollen sie sogar ohne Aussteuerung die Infrarotstrahlung direkt registrieren können.


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