Klima-Satellit spürt Methan auf

Mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten Merlin wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen.

20. Juni 2017

Methan ist als Treibhausgas 25-mal wirksamer als Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber bisher lange nicht so häufig vor wie CO2. Seit einigen Jahren steigt die Methan-Konzentration. Um den Ursachen auf den Grund zu gehen, ist es wichtig zu messen, wo und in welcher Menge Methan in die Erdatmosphäre abgegeben wird.

Vom Sonnenlicht unabhängig

Satellitengestützte Systeme nutzen derzeit das Sonnenlicht, um Methan aufzuspüren, teilt das Fraunhofer ILT weiter mit. Messen kann man daher immer nur auf der sonnenzugewandten Seite der Erde und bei wolkenfreiem Himmel. Die Licht-Absorption lässt Rückschlüsse auf die Moleküle zu, die in der Luft vorhanden sind.

»Unser laserbasiertes Messsystem ist vom Sonnenlicht unabhängig, daher kann man damit jederzeit und überall messen«, sagt Dr. Jens Löhring, der am Fraunhofer ILT in Aachen die neue Lasertechnologie mit entwickelt.

Die Wissenschaftler am Fraunhofer ILT entwickeln einen Laser, der sehr präzise Einfrequenz-Lichtpulse auf die Erde senden kann. Auch hier zeigt die Licht-Absorption, ob und in welcher Konzentration Methan vorhanden ist – im Unterschied zu den Methanmessungen mit Hilfe von Sonnenlicht allerdings wesentlich genauer.

Spektraler Fingerabdruck

Der Laserpuls lässt sich exakt auf die Absorptionslinie von Methan bei einer vorher festgelegten Wellenlänge einstellen.

»Jedes Gas hat seinen spektralen Fingerabdruck. Es absorbiert bei bestimmten Wellenlängen besonders gut oder schlecht. Dabei ist es wichtig, dass andere Gase bei dieser Wellenlänge keine Absorptionslinie haben, damit die Messung nicht verfälscht wird«, erklärt Löhring.

Nur gelötet und geschraubt 

Damit der Laser im Weltall problemlos und wartungsfrei für die Missionsdauer von drei Jahren funktioniert, muss er Temperaturwechsel von minus 30 bis plus 50 Grad Celsius genauso unbeschadet überstehen wie starke Vibrationen. »Wir haben für den Laser optomechanische Bauteile, also Spiegelhalter, Linsenhalter et cetera, entwickelt, die diesen Anforderungen gerecht werden und ihre sehr genaue Einstellung bewahren.«

Eine weitere Herausforderung ist, die Luft in dem Gehäuse um den Laser rein zu halten. »Klebstoffe führen zu einer Kontamination der Luft. Winzige Teilchen lösen sich, lagern sich auf den Spiegeln ab und zerstören die Optik«, so Löhring.

»Wir haben daher beim Aufbau des Lasers ausschließlich gelötet und geschraubt – das ist eine völlig neue Technik, die das System zusätzlich robust macht und daher auch für zahlreiche Anwendungen in der Industrie und Fertigungstechnik interessant ist«, erklärt der Wissenschaftler.