Im Rahmen des Projekts „Rainbow“ haben Forschende des Fraunhofer IOF ein miniaturisiertes hyperspektrales Spektrometer zur Erdbeobachtung entwickelt. Dieses innovative Teleskop, das das Konzept eines Spektrometers-on-Chip demonstriert, liefert präzise Antworten auf zentrale Fragen der Landwirtschaft, wie die Gesundheit eines Feldes oder der Nährstoffgehalt des Bodens. Mit einem Blick aus dem All ermöglicht die kompakte Technologie präzise Analysen der Pflanzen- und Bodenbeschaffenheit und ist damit ein Schlüsselbestandteil des Smart Farming.
Das System liefert die notwendigen datenbasierten Analysen zur Erstellung digitaler Feldkarten, die Landwirte als präzise Applikationskarten für standortangepasste und nachhaltige Maßnahmen nutzen können. Konzipiert für die Kleinserienfertigung, erreicht das Spektrometer trotz seiner Miniaturisierung eine konstant hohe Abbildungsqualität
Weltraumtaugliche Technologie für die Landwirtschaft
Der zentrale technologische Ansatz ist das Spektrometer-on-Chip-Konzept, bei dem alle wesentlichen Funktionen des Spektrometers auf einem einzigen Chip vereint werden. Wie Lucas Zettlitzer erklärt, übernehmen hier optische Filter die Auswahl der relevanten Wellenlängen anstelle komplexer opto-mechanischer Komponenten. Dies wird dadurch erreicht, dass die erforderlichen spektralen Bänder direkt im Verhältnis 1:1 auf einen Gradientenfilter abgebildet werden, der unmittelbar vor dem Detektor integriert ist. Dieses Design ist anderen Konzepten überlegen. Die selektiv aufgebrachten Filter ermöglichen eine effiziente Anpassung der benötigten Spektralkanäle an den jeweiligen Anwendungsfall. Das Resultat ist ein kompaktes, leichtes und kostengünstiges System bei gleichbleibend hoher Messqualität.
Kompakte Bauweise und geringer Justageaufwand
Das Kernstück des Systems ist ein Ritchey-Chrétien-Teleskop, das für besonders präzise Abbildungen zwei asphärische Spiegel nutzt. Die Entwicklung und Realisierung des Teleskops basierte auf einem von Airbus entworfenen optischen Design. Das Fraunhofer IOF erarbeitete dabei das Integrationskonzept die Konstruktion und alle Fertigungsprozesse, unter anderem für die am Institut gefertigten Metalloptiken.
Ein wesentlicher Bestandteil ist der speziell angepasste Gradientenfilter, der am Fraunhofer IST mittels der dort entwickelten EOSS®-Technologie gefertigt wurde. Diese Technologie ermöglicht die exakte Einstellung der optischen Eigenschaften des Filters zur präzisen Erfassung verschiedener Wellenlängen. Die Forschenden legten Wert auf eine kompakte Bauweise und einen geringen Justageaufwand. Das erleichtert kosteneffiziente Produktion sowie Miniaturisierung. Diese Eigenschaften prädestinieren das System für den Einsatz in Kleinsatelliten und erlauben eine flexible und skalierbare Nutzung bei zukünftigen Weltraummissionen.
Hyperspektrale Daten für nachhaltige Entscheidungen
Das entwickelte Spektrometer fungiert, indem es das einfallende Licht in schmale Wellenlängenbänder zerlegt. Es misst, wie stark diese unterschiedlichen Spektralbereiche von Pflanzen und Böden reflektiert werden. Dieser Prozess macht selbst minimale Unterschiede in der Vegetation und der Bodenstruktur sichtbar, die mit herkömmlichen Kameras nicht erfasst werden können. Die gesammelten Daten lassen sich anschließend zu digitalen Karten verarbeiten. Diese visualisieren entscheidende Informationen wie Feuchtigkeit, Nährstoffgehalt oder Krankheitsanzeichen in den Pflanzen. Dies ermöglicht eine präzise und ressourcenschonende Bewirtschaftung landwirtschaftlicher Flächen.
„Keine Rückstände im Orbit“
Neben dem primären Nutzen für die Landwirtschaft befassen sich die Fraunhofer-Forschenden mit einer weiteren Herausforderung: der Nachhaltigkeit im Weltraum selbst. „Mit unseren metalloptischen Systemen für den Weltraum, wie hier im Rainbow-Projekt, unterstützen wir die Bestrebungen der Europäischen Union und der ESA, keinen zusätzlichen Weltraumschrott zu erzeugen“, erklärt Lucas Zettlitzer. „Unsere Optiken verglühen beim Wiedereintritt vollständig und hinterlassen keine Rückstände im Orbit.“
Quelle
Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF (11/2025)