Untersuchung der Strahlungswirkung auf eine Komponente des MERLIN-Instruments

Der Satellit MERLIN (»Methane Remote Sensing LIDAR Mission«) setzt ein differenzielles LIDARo (»Light Detection And Ranging«) ein, um global die räumliche und zeitliche Konzentration von Methan in der Atmosphäre zu messen. Das LIDAR arbeitet in Nadir-Richtung bei einer Wellenlänge von 1645,55 nm. Bei dieser Wellenlänge besitzt Methan Übergänge geeigneter Absorption und Breite, um eine differenzielle  Absorptionsanalyse zu ermöglichen. Dazu werden wiederholt zwei Laserpulse mit leicht unterschiedlichen Wellenlängen emittiert. Bei der ersten Wellenlänge findet eine Absorption durch Methan statt, die Signale der zweiten dienen als Referenz sonstiger Absorptionen in der Atmosphäre. Die Auswertung der Differenz der rückgestreuten Lichtsignale liefert die absolute Methankonzentration. Entscheidend für die Präzision der Messergebnisse sind die Kenntnis der zwei  Wellenlängen sowie die Genauigkeit der relativen Pulsenergien über den gesamten erwarteten dynamischen Bereich.

Eine maßgebliche Komponente für diese Auswertung ist eine optische Faser im Kalibriersystem des Instruments, welche die Signale der beiden Wellenlängen überträgt. Da sich aus dem Unterschied der Signale von Referenz- und Absorptionswellenlänge die Konzentration des Methans ermitteln lässt, darf keine signifikante spektrale Änderung der Transmissionseigenschaften der optischen Faser während der Mission auftreten.

Eine mögliche Störung kann beispielsweise durch die Exposition der Faser durch die Strahlung im Weltraum auftreten. Seit langem ist bekannt, dass dabei die Übertragung von Licht in optischen Medien beeinflusst wird. Insbesondere hängt diese von der Wellenlänge des Lichts ab. Würde nun die Strahlung im Weltraum die optische Faser im MERLIN-Instrument so schädigen, dass die beiden Wellenlängen unterschiedliche Dämpfungen erfahren, so würde dies die Genauigkeit der Messungen beeinflussen oder sogar unmöglich machen.

Daher wurde das Fraunhofer INT von Airbus Defense and Space beauftragt, eine Studie über die zu erwartenden Effekte durchzuführen. Die besondere Herausforderung dieser Untersuchung besteht darin, dass schon kleinste Effekte Einfluss auf die Missionsanwendung haben können. Die Größenordnung der tolerierbaren Änderung der Transmission zwischen den beiden Wellenlängen beträgt nur ca. 10-4. Erschwerend kommt hinzu, dass nicht nur die zu detektierende unterschiedliche Wirkung bei den beiden Wellenlängen sehr klein ist, sondern auch der grundsätzliche Effekt der Dämpfungszunahme in einer vergleichsweise kurzen Probe nur klein ist.

Die Aufgabe innerhalb des Projekts bestand also darin, einen höchst empfindlichen, aber stabilen Aufbau zu entwickeln, der vor allem auf die Wellenlängenabhängigkeit ausgelegt ist. Dazu wurde eine Kombination aus Weißlichtquelle und Spektrometer verwendet, welches insbesondere im interessierenden nahen Infrarot empfindlich ist.

In mehreren Schritten wurden zunächst verschiedene Varianten des Messaufbaus validiert und geprüft, ob das Nachweisvermögen ausreichen würde, um die notwendigen Daten zu liefern. In einem nächsten Vortest wurden anschließend mit Proben verschiedener Glasfasern Bestrahlungen durchgeführt, um geeignete Parameter für Dosis, Dosisleistung und beispielsweise Probenlänge zu ermitteln. Nach finaler Abstimmung der Bedingungen wurde für den eigentlichen Test von Airbus DS eine Probe der Glasfaser zur Verfügung gestellt, welche auch im Kalibriersystem des MERLIN-Instruments zum Einsatz kommen wird.

In der Auswertung dieser Bestrahlung konnte schließlich nachgewiesen werden, dass der zu erwartende negative Effekt in der für das Projekt vorgesehenen Glasfaser um mindestens einen Faktor 10 unterhalb der kritischen Werte für die Mission liegen wird. Damit steht der geplanten Umsetzung nichts im Wege. In einer zum Vergleich an einer anderen Glasfaser-Probe durchgeführten Bestrahlung hingegen zeigte sich eine deutliche Wirkung, die die Anwendung für MERLIN ausgeschlossen hätte.

Danksagung: Der deutsche Anteil des MERLINProjekts wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des DLR Vorhabens 50 EP 1601 finanziert.