FORUM для ЕКА: Миссия по запуску «термометра, ставшего высокоточным спутником»

Исследователи из Института Фраунгофера разрабатывают алмазные структуры для исследования изменения климата.

Графическая визуализация спутника FORUM.

Измерение того, как Земля нагревается – является целью запланированной миссии FORUM.

Спутниковая миссия Европейского космического агентства, запуск которой запланирован на 2027 год, направлена на анализ теплового баланса Земли, чтобы лучше понять глобальное потепление и климатическую систему Земли.

Для спектрометра на борту спутника исследователи из Йены, Германия, разработали новую алмазную структуру, которая позволяет проводить точные измерения в дальнем инфракрасном спектре. В настоящее время доставлено первое летное оборудование.

Земля начинает "потеть" – в буквальном смысле, говорят исследователи. 2018 и 2022 годы были одними из самых теплых с начала наблюдений. Важной частью головоломки в изучении глобального потепления является излучение тепла от Земли в космос. Чтобы лучше понять эти сложные механизмы, миссия FORUM будет регистрировать радиационный баланс Земли с точностью до локального уровня.

«Образно говоря, это означает, что FORUM — это термометр, ставший спутником с предельной точностью», — сказал Айленбергер.

На спутнике используется спектрометр, который функционирует как термометр. Он регистрирует тепловое излучение Земли в дальнем инфракрасном спектре – от 10 до 100 мкм. Ключевым компонентом спектрометра является светоделитель.

Бриллиант размером с кредитную карточку действует как светоделитель.

Именно здесь решающую роль играют Институт прикладной оптики и точного машиностроения им. Фраунгофера (IOF) и Институт прикладной физики (IAP) Йенского университета им. Фридриха Шиллера.

Чтобы создать светоделитель исследователи из обоих институтов разработали и изготовили инновационную алмазную микроструктуру для высокоточного измерения спектров в дальнем инфракрасном диапазоне. Для этого используется специальная технология, при которой на алмазе вытравливаются микроскопические пирамидки.

«Для того, чтобы экстремальный диапазон был зарегистрирован с помощью FORUM, нам нужен светоделитель, прозрачный во всем спектральном диапазоне», — сказал доктор Фальк Эйленбергер, возглавляющий отдел микро- и наноструктурированной оптики в IOF. Он добавил: «Нет ни одного оптического материала, который обладал бы этим свойством, кроме алмаза».

Соответственно, исследователи использовали бриллиант размером 43 мм х 64 мм (размером с кредитную карту). Его блестящая поверхность действует как светоделитель. И здесь нас ждет следующий вызов, потому что: «Только одной поверхности бриллианта позволено сиять», — сказал Айленбергер. Поэтому наша задача состояла в том, чтобы сделать вторую поверхность антибликовой».

Обычные просветляющие процессы, такие как те, которые используются для очковых линз, не подходят для этого применения, поскольку они состоят из слоев из различных материалов и не прозрачны во всем спектральном диапазоне. Из-за этого исследователи разработали специальный процесс травления, чтобы поместить необходимые структуры в алмаз. Для этого они черпали вдохновение в природе, а именно в глазе мотылька.

Исследователи из Института Фраунгофера наблюдают за структурой алмаза с помощью электронного микроскопа.



«Глаза мотыльков обладают антибликовым покрытием в широком спектре», — говорит Эйленбергер. «Они достигают этого просветления с помощью микроскопически маленьких пирамид на поверхности. Несколько лет назад IOF уже адаптировал эту модель из природы для видимой оптики».

Требования в рамках миссии FORUM чрезвычайно высоки, как пояснил далее Айленбергер: «Алмаз очень трудно структурировать. Экстремальный диапазон также требует пирамид с чрезвычайно точными формами. Вот почему мы должны были разработать процесс травления, который мог бы точно и воспроизводимо создавать структуры необходимой формы». Исследователи добились этого с помощью процесса реактивного ионного травления, замаскированного электронно-лучевой литографической маской. В результате они достигли коэффициента просветления более 96% благодаря структурной глубине более 7 микрометров и точно определенной крутизне склона.

Логотип миссии FORUM

Коллеги из Института прикладной физики Йенского университета им. Фридриха Шиллера сыграли важную роль в этом проекте:

«Без этого превосходного сотрудничества и выдающейся технологии травления, разработанной в IAP, структурирование алмаза было бы невозможно и не было бы столь успешным», — говорит Айленбергер.

Для Фалька Эйленбергера и его команды разработка демонстрирует большой потенциал в использовании алмазов в качестве оптического материала: «Этот проект также показывает, что мы можем по-настоящему начать использовать потенциал алмаза в качестве оптического материала только через наноструктурирование», — сказал он.

Он добавил: «С помощью этого проекта мы также хотим показать, что наноструктурированный алмаз является материалом будущего для оптики в экстремальном диапазоне. Наши технологии позволяют нам исключительно хорошо формировать это будущее: алмазная метаоптика, алмазные датчики магнитного поля, резонансные алмазные зеркала и многое другое. Можно сказать: алмазы — лучшие друзья фотоники».

Исследовательская группа из Йены, состоящая из сотрудников IOF и IAP, потратила четыре года на разработку новой структуры алмаза. Разработка ведется в тесном сотрудничестве с заказчиком OHB SE, а также с ESA как ответственным органом миссии. Летоделитель луча был передан компании OHB в декабре 2023 года.