Hyperspektrale Erdbeobachtung aus dem All
nnovative Filter-on-Chip-Technologie des Fraunhofer IST ermöglicht
hochaufgelöste Daten für nachhaltige Landwirtschaft und Smart-Farming-
Anwendungen. Der Klimawandel, häufigere Wetterextreme und der wachsende Bedarf an
hochwertigen Lebensmitteln stellen die Landwirtschaft weltweit vor große
Herausforderungen. Um Erträge zu sichern und gleichzeitig Ressourcen wie
Wasser, Dünger und Energie effizient einzusetzen, benötigen Landwirtinnen
und Landwirte immer genauere Informationen über den Zustand von Pflanzen
und Böden.
Hyperspektrale Fernerkundung kann hier entscheidend
unterstützen, war bislang jedoch nur mit großen, komplexen und
kostenintensiven Systemen möglich.
Das ESA-geförderte Projekt RAINBOW setzt genau an diesem Punkt an.
Gemeinsam mit Airbus Defence & Space, der VISTA Geowissenschaftliche
Fernerkundung GmbH und dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und
Feinmechanik IOF hat das Fraunhofer-Institut für Schicht- und
Oberflächentechnik IST eine neue Generation kompakter hyperspektraler
Sensoren für kleine Satelliten entwickelt.
Im Zentrum der Entwicklung steht ein innovativer Bandpassfilter auf Basis
der Filter-on-Chip-Technologie, der am Fraunhofer IST hergestellt wurde
und über 30 spektrale Kanäle im Bereich von 400 bis 1700 Nanometern
abdeckt. Dafür wurden drei linear variable Bandpassfilter auf einem nur
zehn Millimeter kleinen Glassubstrat vereint. Um die außergewöhnlich hohe
spektrale Variation zu realisieren und die einzelnen Filterbereiche
präzise voneinander zu trennen, nutzte das Fraunhofer IST modernste
Mikrostrukturierungsverfahren wie Photolithographie und Lift-off-Prozesse.
Das Ergebnis ist ein äußerst kompaktes, robustes und wirtschaftliches
Bauteil, das sich optimal für den Einsatz auf kleinen Satelliten eignet
und hyperspektrale Messungen ermöglicht, die bisher ausschließlich
größeren und deutlich teureren Systemen vorbehalten waren.
Vom Filter direkt auf den Chip
Die am Fraunhofer IST gefertigten Filter basieren auf hochpräzisen
Sputterverfahren, wie sie auf der institutseigenen
EOSS®/Opta-X-Sputterplattform eingesetzt werden. Diese Technologie
ermöglicht sowohl linear variable Filter mit großer spektraler Bandbreite
als auch pixelgenau strukturierte Filterstapel, die direkt vor dem
Detektor integriert werden können. Dadurch entfällt der Bedarf an
komplexen optischen Aufbauten; Größe, Gewicht und Kosten der Instrumente
werden deutlich reduziert – ein entscheidender Vorteil für Anwendungen im
All, aber auch für mobile oder industrielle Systeme. »Mit RAINBOW haben
wir am Fraunhofer IST einen entscheidenden Schritt gemacht, um hochpräzise
hyperspektrale Daten erstmals wirtschaftlich auf kleinen Satelliten
verfügbar zu machen«, sagt Dr. Philipp Farr, Gruppenleiter
Präzisionsoptische Schichten am Fraunhofer IST.
Hyperspektrale Daten als Grundlage für präzise Entscheidungen
Für die Landwirtschaft bedeutet dies einen deutlichen Fortschritt. Die mit
RAINBOW erzielbaren hyperspektralen Daten erlauben eine deutlich
detailliertere Analyse von Pflanzenzuständen, etwa im Hinblick auf
Nährstoffversorgung, Stressfaktoren oder Wassergehalt. Damit werden
präzise Ableitungen möglich, die für die Optimierung von
Bewirtschaftungsstrategien und für nachhaltiges Ressourcenmanagement
entscheidend sind. Auch in der Qualitäts- und Ertragsprognose eröffnen
sich neue Perspektiven, etwa durch die satellitengestützte Einschätzung
von Protein- oder Nährstoffgehalten. Darüber hinaus können die Daten
genutzt werden, um den Kohlenstoffgehalt von Böden zu bestimmen und so
Zertifizierungsprozesse im Bereich der Kohlenstoffbindung deutlich
effizienter zu gestalten.
Mit der erfolgreichen Fertigstellung des Filtermoduls hat das Fraunhofer
IST seinen Beitrag zum Projekt RAINBOW abgeschlossen. Die entwickelten und
qualifizierten Filterbauteile bilden nun die Grundlage für die weitere
Integration in das optische Gesamtsystem sowie für anschließende
Validierungs- und Testkampagnen im Projekt. Das Fraunhofer IST hat damit
einen wesentlichen technologischen Meilenstein für kompakte hyperspektrale
Fernerkundungssysteme gesetzt.
