Araştırmacılar uzay spektrometresi için yüksek hassasiyetli çift yarık geliştirdi

ESA, FLEX misyonunu 2025’te başlatmayı planlıyor. Amaç, Dünya’nın bitki örtüsüne ilişkin uzaydan veri toplamak. Uydudaki spektrometre için Jena’daki Fraunhofer Uygulamalı Optik ve Hassas Mühendislik Enstitüsü’nden (IOF) araştırmacılar, iki yüksek hassasiyetli aynanın yanı sıra olağanüstü doğrulukta bir çift yarık düzeneği geliştirip ürettiler. Çift yarık şu adreste sunulacak: SPIE Fotonik Batı 30 Ocak’tan 1 Şubat’a kadar San Francisco’da.

Bitkiler ne kadar ışık yayar ve bu ışık emisyonu bize bitkilerin sağlığı hakkında neler söyleyebilir? ESA misyonu “FLuorescence Explorer Mission” (FLEX), 2025’ten itibaren bu soruyu ele alacak. Uydunun kalbinde “Floresan Görüntüleme Spektrometresi” (kısaca FLORIS) yer alacak.

Ancak diğer birçok spektrometreden farklı olarak FLORIS tek bir ışık kanalıyla değil iki ışık kanalıyla çalışır. Falk Kemper, “Bu, ışığın cihaza girebileceği iki optik yarığa ihtiyaç duyduğu anlamına geliyor” diye açıklıyor. Kemper, Fraunhofer IOF’ta araştırmacıdır ve enstitüdeki FLEX projesine başkanlık etmektedir. “Bu iki kanalı oluşturmak için, çift yarık adı verilen iki yarıktan oluşan yüksek hassasiyetli bir düzenlemeye ihtiyacınız var. Spektrometre için yüksek hassasiyetli aynalarla birlikte Jena’da geliştirip ürettiğimiz şey tam olarak budur.”

Olağanüstü doğruluğa sahip uzay spektrometreleri için bileşenler

Çift yarıklı düzeneğin özelliği, olağanüstü hassasiyetidir: çift yarıklı düzeneğin her bir yarığı, tam olarak 85 (+/-1) mikrometre genişliğinde ve bu da 44,15 milimetre uzunluğunda üretilmelidir. Kemper, “Çok geniş veya çok dar yarıklar, dedektöre çok fazla veya çok az ışık yönlendirerek, görev için ilgi duyulan ışık bileşeninin değerlendirilmesini imkansız hale getirebilirdi” diye açıklıyor.

Jena’da üretilen ve ışığı spektrometre içindeki dedektöre yönlendirmesi amaçlanan aynalara da özel gereksinimler uygulandı: Bunların 0,3 nanometre rms (ortalama karekök) pürüzlülük gereksinimine sahip olması gerekiyordu. Kemper, “Bu kabaca bir ve iki atom arasındaki mesafeye karşılık geliyor” diye açıklıyor. “Gereksinimler inanılmaz derecede yüksekti ve teknik olarak mümkün olanın sınırlarındaydı.”

Silikon bazlı çift yarık için özel litografik yapılanma

Çift yarık silikon bazlı olarak üretildi. Fraunhofer IOF’da üretim için özel bir litografik işlem zinciri geliştirildi; burada litografik yapılandırma teknikleri silikon levhaların aşındırılması için uyarlandı: “Stratejimiz silikon levhaları maskelemek, geliştirmek ve zaman kontrollü bir şekilde ıslak aşındırmaktı” diyor proje yöneticisi süreci açıklıyor. “Gereken çok yüksek doğruluk nedeniyle, üretim zincirini, yarıkların gereksinimlere göre üretilebileceği kadar istikrarlı hale getirmek için çok sayıda parametre yinelemesinden geçmek zorunda kaldık.”

Son olarak, belirlenen optik yansımayı ve optik yoğunluğu elde etmek için yarıklara siyah bir kaplama uygulandı. “Yarıkların siyah kaplaması aynı zamanda yarıkların geometrisinde de bir değişikliğe yol açtı ve yarıklar aşındırılırken buna göre muhafaza edilmesi gerekiyordu.”

Uzay spektrometrelerinde kullanım için sağlam montaj

Cihaz, silikon çift yarık mekanik bir tutucuya monte edilecek şekilde tasarlanmıştır. Burada, iki hassas yarık tutucudaki deliklere oldukça paralel, yani 5 mikrometreden daha az bir doğruluk ve 10 mikrometreden daha az bir yarık düzlemselliği ile monte edilmek zorundaydı. Ayrıca iki yarığın, FLEX uydusunun fırlatılması sırasında güçlü titreşimler, sıcaklık dalgalanmaları ve ivmelenmeler meydana gelse bile deforme olmayacak veya kırılmayacak şekilde yerleştirilmesi gerekiyordu.

Montajın gerekli sağlamlığını sağlamak için Fraunhofer IOF’daki araştırmacılar özel bir montaj konsepti, yani bir montaj oluşturmak için farklı bileşenleri bir araya getirmeye yönelik bir strateji geliştirdiler. Kemper, “Bu, pozitif kilitleme, kelepçeleme ve birleştirme kombinasyonu kullanılarak başarıldı” diye belirtiyor.

Çift yarık, spektrometrenin daha hassas ve daha geniş ışık analizi yapmasına olanak tanır

FLORIS spektrometresinin çift yarıklı özel tasarımı, FLEX misyonunun hedefleri açısından belirleyici bir avantaj sunuyor: “Çift yarık, spektrometrede iki kanalın çalıştırılmasına olanak tanıyor: biri yüksek çözünürlük için, diğeri düşük çözünürlük için.” Falk Kemper diyor.

Yüksek çözünürlüklü kanal, ışığın dalga boylarındaki en küçük farklılıkları algılayabilirken, düşük çözünürlüklü kanal, ışık spektrumunun daha geniş alanlarını yakalayabilir. Her iki kanalın kombinasyonu, ışığın daha kapsamlı bir analizine ve dolayısıyla bitki örtüsünün ayrıntılı bir analizine olanak sağlar.

FLEX misyonu Dünya’daki bitki örtüsü verilerini izlemeyi amaçlıyor

2025 yılında başlatılması planlanan FLuorescence Explorer misyonu, bitki floresansının, yani bitkilerin ışık yayılımının küresel haritalarını sağlayacak. Bu verilerin, fotosentetik aktivitenin yanı sıra bitkilerin sağlığı ve stresi hakkında bilgi sağlaması amaçlanıyor.

Bu tür veriler yalnızca küresel karbon döngüsünün daha iyi anlaşılması açısından değil, aynı zamanda artan dünya nüfusu bağlamında tarım ve gelecekteki gıda güvenliği açısından da önemli. Şimdiye kadar bitkilerin fotosentetik aktivitesini uzaydan ölçmek mümkün olmamıştı.