Von Hannover auf Weltreise und zum Mars: LZH liefert Laser für ExoMars 2020 aus

Ein Hauptziel der ExoMars-Mission ist, nach früherem oder gegenwärtigem Leben auf dem erdähnlichen Planeten zu suchen. Eines der zentralen analytischen Instrumente des EXOMARS-Rovers ist der „Mars Organic Molecule Analyser“, kurz MOMA.

Dieses wird unter Führung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS), Göttingen, mit weiteren Partnern entwickelt. Das nun an das NASA Goddard Space Flight Center ausgelieferte Flugmodell des MOMA-Lasers ist Teil des dort entwickelten Laserdesorptions-Massenspektrometers (LD-MS). Auf dem Mars kann es organische Materie identifizieren und analysieren. Organische Moleküle in den vor Ort genommenen Bodenproben könnten Hinweise auf mögliche Formen von Leben geben.

Klein, leicht und robust

Den für die Untersuchungen benötigten diodengepumpten Festkörperlaserkopf im UV-Spektralbereich hat das LZH in den letzten Jahren entwickelt. Der Laser hat eine Emissionswellenlänge von 266 nm und eine einstellbare Laserpulsenergie von bis zu 130 µJ. Das besondere an ihm sind aber vor allem Gewicht, Größe und seine Robustheit. Mit einer Länge von circa 20 cm bringt er nur etwa 220 g auf die Waage.

Zudem muss der Laserkopf einiges aushalten, um unbeschadet seinen Dienst auf dem Mars anzutreten: zum einen mechanische Erschütterungen bei Start der Rakete und Landung auf dem Mars sowie die dort vorherrschenden großen Temperaturunterschiede.

Zum anderen müssen die verwendeten Laseroptiken sowohl der UV-Strahlung des Lasers als auch der ionisierenden kosmischen Strahlung widerstehen. Die Optiken wurden dafür von der Laseroptik GmbH mit weltraumfähigen optischen Beschichtungen versehen und am LZH qualifiziert.

Optimal an raue Bedingungen angepasst

„Der Laser ist optimal an die rauen Umweltbedingungen im Weltraum und seine Aufgabe auf dem Mars angepasst“, erläutert Dr. Peter Weßels, Leiter der Gruppe Solid-State Lasers am LZH. „Wir verwenden einen passiv gütegeschalteten Nd:YAG Oszillator, der über eine optische Faser longitudinal gepumpt wird. Das infrarote Licht des Oszillators wird mit Hilfe nichtlinearer Kristalle in ultraviolette Strahlung umgewandelt. Eine Temperaturregelung soll die Funktion auch bei wechselnder Umgebungstemperatur sicherstellen und erlaubt ebenfalls, die Ausgangspulsenergie variabel einzustellen.“

Vor Auslieferung des Flugmodells an die NASA wurde der Laserkopf beim MPS gründlich getestet. Derzeit wird er am Goddard Space Flight Center vor Ort in das Massenspektrometer (MS) integriert und wiederum getestet. Anschließend muss er zusammen mit dem MS der NASA erneut Umwelttests bestehen, bevor er dann wieder in Europa in den Rover integriert wird.

Gefördert wird das Projekt von der Raumfahrt-Agentur des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter den Förderkennzeichen 50QX1002 und 50QX1402.