Pedaços de plástico no mar, teor de clorofila em corpos d'água, o grau de seca nos campos - desde abril de 2022, o satélite ambiental alemão EnMAP orbita nossa Terra e coletará inúmeros dados durante sua missão de cinco anos. O Instituto Fraunhofer de Microengenharia e Microsistemas IMM e o Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Engenharia de Precisão IOF desenvolveram vários componentes centrais para o sistema óptico do satélite hiperespectral.
Em 1º de abril de 2022 às 18h24 Hora da Europa Central, a hora havia chegado:o satélite ambiental alemão EnMAP – abreviação de Programa de Análise de Mapeamento Ambiental – começou sua jornada no espaço a partir do centro espacial dos EUA, Cabo Canaveral. Durante cinco anos, está programado para analisar a Terra e fornecer dados sobre aspectos como os efeitos das mudanças climáticas, a disponibilidade e a qualidade da água e as mudanças no uso da terra. Os primeiros dados que o satélite enviou à Terra vieram do Bósforo e compreendiam uma análise do espectro de frequências típico das concentrações de algas na água. Usando esses dados, os pesquisadores querem investigar a migração e o crescimento de algas. Tais análises foram possibilitadas em parte por dois tipos de tecnologia Fraunhofer.

O coração do satélite:um módulo de dupla fenda da Fraunhofer IMM

Para realizar suas análises, o satélite detecta a luz do sol que é refletida pela Terra. No entanto, a faixa de comprimento de onda de 420 a 2.420 nanômetros, ou seja, da luz visível ao infravermelho profundo, é grande demais para ser registrada com apenas um espectrômetro. É aqui que uma tecnologia da Fraunhofer IMM vem em socorro. "Fabricamos um módulo de dupla fenda de alta precisão que direciona a luz incidente para dois detectores", explica Stefan Schmitt, gerente de grupo da Fraunhofer IMM em Mainz. Por sua própria natureza, as duas fendas são mantidas um pouco separadas, o que significa que não olham para os mesmos pontos da Terra. “Portanto, leva uma fração de segundo para a segunda fenda ver a mesma parte da Terra que a primeira”, diz Schmitt. Este deslocamento deve ser identificado com a máxima precisão para permitir que as gravações sejam sobrepostas e atingir a resolução exigida de 30 metros.

A chave para isso é o método excepcionalmente preciso usado para fabricar o módulo de dupla fenda, que só é possível usando a tecnologia de silício. "Embora as técnicas que temos disponíveis no instituto estejam bem posicionadas para atender a esses requisitos, ainda havia muitos detalhes desafiadores a serem considerados", lembra Schmitt. Por exemplo, as fendas retangulares usadas inicialmente não provaram ser mecanicamente estáveis ​​o suficiente. Os pesquisadores, portanto, passaram a produzir fendas com seção transversal graduada. "Apesar de extensas simulações e análises de nossos parceiros, tivemos que alterar o projeto e outros requisitos enquanto a fase do processo estava em andamento. Coisas assim acontecem de tempos em tempos ao abrir novos caminhos, então estávamos preparados para isso", diz Schmitt. Os pesquisadores também tiveram que produzir outros componentes do módulo - como aqueles usados ​​para desviar a luz ou suprimir a luz espalhada - com o mais alto grau de precisão usando materiais adequados para aplicações espaciais, como alumínio, aço inoxidável, níquel e Invar, cujas propriedades precisavam ser precisamente medido e documentado. Outro aspecto complicado foi a montagem do módulo de dupla fenda. "As tolerâncias eram menores que cinco micrômetros, portanto, menos de um décimo do tamanho de um fio de cabelo", diz Schmitt. Tudo isso foi concluído com desenvoltura.

Leve e preciso:espelhos de metal da Fraunhofer IOF

Fraunhofer IOF também contribuiu com sua experiência para o satélite:O instituto é um dos melhores desenvolvedores de óptica metálica do mundo e produziu todos os espelhos metálicos usados ​​na óptica EnMAP. "Para aplicações espaciais, os espelhos não só precisam ter uma superfície extremamente lisa e ser moldados com um nível excepcional de precisão - eles também precisam pesar o mínimo possível", diz Dr. Stefan Risse, gerente de projeto da Fraunhofer IOF em Jena . "Esta era uma área onde poderíamos até exceder os requisitos especificados:em vez da rugosidade necessária de 1 nanômetro rms (raiz quadrada média), nossos espelhos de metal demonstram uma rugosidade de menos de 0,5 nanômetros rms quando medidos em luz branca (ampliação de 50x) . Também conseguimos manter o desvio de forma permitido não apenas para 18 nanômetros rms, mas em alguns casos até menos de 10 nanômetros rms." Para conseguir isso, os pesquisadores usaram alumínio no qual depositaram uma liga metálica amorfa de raios-X de níquel e fósforo. Em termos de sua estrutura, este filme espesso tem propriedades semelhantes ao vidro e é altamente adequado para usinagem com ferramentas diamantadas e polimento de alto nível de acabamento. Com relação à forma final dos espelhos metálicos, a equipe de pesquisadores submeteu os espelhos a procedimentos corretivos como Ion Beam Figuring (IBF).

Além da baixa rugosidade da superfície, um design leve foi outra característica de qualidade importante para os espelhos. A técnica empregada pela Fraunhofer IOF também foi aplicada nesse sentido. "Conseguimos reduzir a massa em mais de 40% usando uma de nossas técnicas patenteadas - e agora, o uso de processos aditivos permite uma economia de até 70%", diz Risse. A equipe conseguiu isso criando uma estrutura para os espelhos que se assemelhava a um capitel de uma igreja:furos cruzados reunidos em ângulos retos conectam a frente e a traseira do espelho, e a estrutura da coluna formada suporta as superfícies. A frente e a traseira do espelho são fechadas, dando ao elemento um alto grau de rigidez mecânica. No total, a equipe fabricou onze espelhos de metal ultraprecisos, além de camadas de prata e ouro altamente reflexivas para o EnMAP e também revestiu a ótica de vidro aplicando uma camada fina com baixo poder de refração ao vidro. + Explorar mais

Integração de microestruturas metálicas em vidro