Kamera fotografiert die Welt im Terahertz-Licht

Mit „StarTiger“ (Space Technology Advancements by Resourceful, Targeted and Innovative Groups of Experts and Researchers) hat die ESA 2002 ein neues Konzept für den Forschungs- und Entwicklungsbereich auf den Weg gebracht. Die Idee: Ein interdisziplinäres Team hochqualifizierter und hochmotivierter Forscher wird für maximal sechs Monate in Klausur geschickt, um ein ganz bestimmtes Problem zu lösen. Die „Sternentiger“ haben dabei – unbeschwert von bürokratischen Hürden – unbeschränkten Zugriff auf alle erforderlichen Labor- und Produktionsressourcen. Ziel ist die Verwirklichung innovativer technologischer Konzepte im Zeitraffer.

Im Juni 2002 lief das erste StarTiger-Projekt an: Elf handverlesene Chemiker, Physiker und Ingenieure machten sich im Rutherford-Appleton-Forschungszentrum im britischen Oxfordshire daran, einen Chip zu konstruieren, der ähnlich funktioniert wie die Chips in modernen Digitalkameras. Entscheidender Unterschied: Der Chip sollte nicht sichtbares Licht, sondern Terahertz-Strahlung einfangen.
„Wir hatten ein ziemlich ehrgeiziges Ziel: Mittels modernster Mikrotechnologie wollten wir innerhalb von vier Monaten die erste Kompaktkamera für den Submillimeter-Wellenbereich bauen, die Bilder in Echtzeit liefert“, so Peter de Maagt, der für StarTiger verantwortliche Projektleiter der ESA. „Und es hat geklappt: Schon im September gelangen die ersten Terahertz-Aufnahmen“.

Unerforschte Strahlung

Im Spektrum der elektromagnetischen Strahlung gibt es einen Bereich zwischen Infrarot- und Mikrowellenstrahlung, der bis heute kaum erforscht ist: die sogenannte Terahertz-Strahlung. Sie hat eine Wellenlänge zwischen 1 und 0,01 Millimetern und eine Frequenz von rund 1000 Milliarden Hertz. Bislang konnte diese Strahlung nur mit immensem Aufwand erfasst und – beispielsweise in riesigen Teilchenbeschleunigern – erzeugt werden.

Dabei sind Terahertz-Strahlen durch ihre Eigenschaften für praktische Anwendungen prädestiniert. Wie Röntgenstrahlen durchdringen sie feste Materie, werden von verschiedenen Stoffen unterschiedlich reflektiert und können wie sichtbares Licht gebündelt werden, um Bilder aufzunehmen. Ein Terahertz-Aufnahmegerät hat den unschätzbaren Vorteil, dass es als passive Kamera Aufnahmen der natürlichen Terahertz-Strahlung liefert, die von Menschen, Felsen und Wasser, aber auch von Sternen ausgeht. Jede Materie strahlt Terahertzwellen ab, die ihren Ursprung in den Wärmeschwingungen der Moleküle haben.

Terahertz-Detektoren im Kosmos

Als satellitengestütztes Fernerkundungsinstrument ist der kompakte Terahertz-Detektor vielseitig einsetzbar.

Da ein Großteil der Leuchtkraft unserer Milchstraße und der übrigen Galaxien in diesem Frequenzbereich abstrahlt, könnten Astronomen durch die Beobachtung der Terahertz-Frequenzen mehr über die Entstehung von Galaxien in der Frühzeit des Universums erfahren. Neue Erkenntnisse wären auch über die Geburt von Himmelskörpern möglich: Die typischen Signaturen der Sternen- und Planetenbildung lassen sich in diesem Spektralbereich besonders deutlich ausmachen.

Auch zur Erdbeobachtung und Umweltüberwachung ist ein solches Instrument geeignet. Anhand von Terahertz-Daten könnte man unter anderem den Abbau der Ozonschicht detailliert erkunden. Nützlich wäre dies beispielsweise für die Untersuchung des globalen Klimawandels. „Eine Beobachtung im Terahertz-Frequenzband würde die Fernerkundung aus dem All revolutionieren“, so de Maagt. „Aber auch hier auf der Erde profitieren wir vielleicht schon bald von dieser innovativen Technologie“.

Terahertz-Detektoren für den irdischen Alltag

Im täglichen Leben ist die Terahertz-Kamera universell einsetzbar. Einige Beispiele hierzu: In der medizinischen Diagnostik kann die neue Technik in vielen Bereichen Röntgenuntersuchungen ersetzen oder ergänzen. Da die Kamera nur natürliche Strahlung aufnimmt, liegen die gesundheitlichen Risiken praktisch bei Null. In Flughäfen erlaubt sie die Durchleuchtung von Personen und Gegenständen, um verborgene Waffen oder gefährliche Substanzen aufzuspüren.

„Angesichts der immensen Potenziale prüfen wir derzeit, wie diese Technologie optimal in terrestrische Anwendungen umgesetzt werden kann“, erläutert Pierre Brisson, Leiter des ESA- Technologietransferbüros.

ESA-Zauberformel für Hightech in Spitzenzeit

„Ende Juli war der erste Prototyp fertig“, berichtet Chris Mann vom Rutherford-Appleton-Forschungszentrum. „Das Aufnahmesystem stand. Im September konnten wir die erste passive Terahertz-Aufnahme präsentieren.“ Das Team verfeinerte die Technik und stellte schließlich einen Detektor-Chip her.
„Endergebnis war ein bildgebendes System, dessen Herz ein briefmarkengroßer 16-Pixel-Detektor-Chip bildet, der zwei Farben wiedergeben kann“, so Mann. „Das optimierte System kann Strukturen unter der Haut detailliert abbilden.“ Bislang waren Kameras für das Submillimeter-Wellenspektrum sperrige Anlagen, die aus zahlreichen Einzelkomponenten bestanden. Neu entwickelte lithographische und mikromechanische Verfahren machten es nun möglich, ein sehr kompaktes Gerät zu bauen, dass dieselben Leistungsmerkmale aufweist.
„Die transportable StarTiger-Kamera passt in eine Aktentasche. Das Kernbauteil des Geräts ist so groß wie eine Zigarettenschachtel“, erläutert Peter de Maagt. „Und die nächste Generation von Geräten wird noch um eine Größenordnung kleiner sein.“

„Mit StarTiger wollen wir die Entwicklungszeit für Spitzentechnologie radikal verkürzen. Wie das erste Projekt bewiesen hat, funktioniert dieser Ansatz“, erklärt Niels Jensen, Leiter der ESA-Abteilung für Technologieprogramme. „Ein solches Konzept bringt Synergieeffekte, die im F&E-Bereich üblicherweise so nicht zu erreichen sind. StarTiger bietet die Chance, eine bestimmte Schlüsseltechnologie in vergleichsweise kurzer Zeit extrem voranzubringen. Deshalb setzen wir auch in Zukunft auf dieses Konzept.“