Optische Filter – Institut Fresnel, Marseille
Noch ist unklar, welchen Einfluss Stürme in der oberen Atmosphäre auf unseren Planeten haben. Um neue Erkenntnisse zu gewinnen, schickt die staatliche französische Raumfahrtagentur CNES Ende 2019 einen Satelliten ins Weltall. Dieser ist mit einem innovativen optischen Filter ausgestattet, der vom Institut Fresnel aus Marseille mithilfe der Technologie von Bühler entwickelt wurde.
01.08.2019
Vor etwa 20 Jahren entdeckten Forscher gigantische Lichtereignisse in der oberen Atmosphäre. Bis heute gibt es keine klaren Erkenntnisse darüber, welchen Einfluss dieses Lichtspiel und seine energetischen Entladungen auf die Erde haben und in welchem Zusammenhang sie mit den manchmal gleichzeitig in den oberen Gewitterwolken auftretenden terrestrischen Gammastrahl-Blitzen (TGFs) stehen. Derzeit wird am nationalen französischen Raumforschungszentrum CNES (Centre National d’Études Spatiales) an den ersten Satelliten zur Erforschung dieser Lichtereignisse und Gammablitze gearbeitet. Im Jahr 2019 soll die Mission Taranis beginnen. Der Satellit wird tausende solcher Lichtereignisse anfliegen und systematisch erfassen.
Um die einzelnen Bestandteile der Lichtspektakel sichtbar zu machen und deren materielle Zusammensetzung zu bestimmen, kommt neben weiteren Messgeräten ein Teleskop mit Spektralfilter zum Einsatz. Beim Projekt Taranis kommen sehr komplexe Filter zum Einsatz, die beispielsweise Stickstoff sichtbar machen. Das Institut Fresnel mit Sitz in Marseille hat diese Filter entwickelt und produziert.
Dank der herausragenden Technologie von Bühler war es uns möglich, solche innovativen Filter für die Weltraumforschung herzustellen.
Julien Lumeau,
Head of the Optical Thin Film Research Team, Institut Fresnel
Im Labor des Fresnel-Instituts wirkt alles hell und blitzblank. „Sauberkeit ist eines unserer obersten Gebote“, erklärt Lumeau. „Wenn nur ein Staubkorn in den Filter gerät, könnte dieses genau ein Lichtereignis verdecken und damit die wissenschaftliche Arbeit verfälschen.“ Der Zutritt zum Labor ist nur in einem Ganzkörperschutzanzug gestattet.
Insgesamt fünf optische Beschichtungsanlagen stehen dort bereit. Die drei neueren sind von Bühler. Das älteste Gerät ist 35 Jahre alt. 2012 kam das Beschichtungssystem Helios von Bühler hinzu. 2015 wurde eine Syrus Pro 710 hinzugefügt, gefolgt von einer zweiten Syrus Pro 710 im Jahr 2018. „Die hohe Leistung und Qualität der Maschinen und die gute partnerschaftliche Beziehung veranlassen uns dazu, in weitere Geräte von Bühler zu investieren“, so Lumeau.
Das Institut Fresnel hat das Privileg, aus verschiedenen Technologien die bestgeeignete für das jeweilige Projekt wählen zu können. Dafür arbeitet Lumeau sehr eng mit den Experten von Bühler zusammen. „Wir schlagen neue Konzepte vor und entwickeln dann mit Bühler eine Machbarkeitsprüfung“, erklärt er. Der Filter für das Projekt Taranis wurde mit der Beschichtungsmaschine Helios von Bühler hergestellt.
Die Anlage arbeitet unter Vakuum. Das Beschichtungsmaterial wird durch den Beschuss mit Ionen zerstäubt und die herausgeschlagenen Atome kondensieren auf dem Glassubstrat. Schicht um Schicht werden so die verschiedenen Materialien aufgetragen. Rund 150 Schichten sind für einen Taranis-Filter erforderlich. Verglichen mit Antireflexionsschichten für Brillengläser, deren Filter aus nur wenigen Schichten besteht, ist das ziemlich viel. Das Beschichten dauert daher insgesamt auch deutlich länger. Während die Beschichtung von einem Brillenglas einige Minuten dauert, benötigte die Herstellung des Taranis-Filters ganze zehn Stunden. „Damit das Licht an der exakten Wellenlänge gefiltert wird, ist es essenziell, dass jede Schicht genau in der richtigen Dicke aufgetragen wird“, so Lumeau. „Dabei befinden wir uns im Nanobereich. Die einzelnen Schichten sind viel dünner als ein Mikrometer, schmaler als ein Tausendstel des Durchmessers von einem Haar.“
Bei solchen Dimensionen im Nanobereich erstaunt es nicht, dass die Messbarkeit ein wichtiges Thema ist. „Die Technologie hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. Heute werden Beschichtungen hergestellt, die vor 15 Jahren noch unmöglich erschienen“, sagt Lumeau. „Die Herausforderung besteht darin, die Präzision der Schichtdicken weiter zu verbessern und eine atomare Präzision für jede Schicht zu erreichen.“ Daher planen das Institut Fresnel und Bühler, gemeinsam an der Verbesserung der optischen Messsysteme zu arbeiten. Ziel ist die Entwicklung neuer Methoden für optische Messsysteme, die die Auswertungen automatisch vornehmen und somit weitaus präziser sind als die heutigen Systeme.
Die neue optische Messmethode ist nicht das einzige Projekt, dass für die optische Industrie von Interesse sein könnte. Das Institut Fresnel und Bühler arbeiten auch an der Entwicklung eines variablen Filters. Damit sollen mehrere Farbwerte gleichzeitig sichtbar gemacht werden. „Die Filter sollen nicht mehr nur einen Spektralwert erfassen können, sondern mehrere gleichzeitig“, erklärt Lumeau.
Um dies zu ermöglichen, müssen einzelne Schichten eines Filters an verschiedenen Stellen eine unterschiedliche Dicke aufweisen. „Bühler bietet uns für die Herstellung homogener komplexer Filter die beste Technologie, die es auf dem Markt gibt“, so Lumeau. „Auf dieser Basis entwickeln wir einen Prototypenprozess für variable Filter.“ Fresnel stellt die Forschungsergebnisse wiederum Bühler zur Verfügung. „Wir entwickeln daraus einen Standardprozess und bieten diesen unseren Kunden an“, erzählt Yvonne Bonnin-Degner, Area Sales and Service Manager bei Bühler. „Das ist die perfekte Verschmelzung von Forschung und Industrie“, fügt Lumeau an.
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