Mit Präzisionsoptik aus Jena: Satellit soll Pflanzenstress aus 815 km Höhe erkennen

Bei der Photosynthese geben Pflanzen einen winzigen Teil der aufgenommenen Sonnenenergie wieder als Licht ab. Für das menschliche Auge ist diese Fluoreszenz unsichtbar. Ein Satellit der europäischen Weltraumorganisation ESA soll sie künftig dennoch aus 814 km Höhe messen. Aus dem schwachen Signal wollen Forschende ablesen, wie aktiv Vegetation Photosynthese betreibt und ob sie unter Trockenheit, Hitze oder anderen Belastungen steht.

Damit das funktioniert, muss der Satellit Unterschiede im Licht äußerst präzise erfassen. Eine Schlüsselkomponente dafür stammt aus Jena: Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF hat zwei nur 85 µm breite Schlitze sowie hochpräzise Spiegel für das Spektrometer an Bord gefertigt.

Warum Pflanzen überhaupt Licht aussenden

Pflanzen nehmen Sonnenlicht auf und nutzen einen Teil seiner Energie für die Photosynthese. Dabei entstehen aus Kohlendioxid und Wasser energiereiche organische Verbindungen. Doch nicht die gesamte absorbierte Lichtenergie fließt in diesen Prozess. Ein Teil wird als Wärme abgegeben, ein sehr kleiner Teil als Fluoreszenz wieder ausgesendet.

Dieses Signal wird als sonneninduzierte Chlorophyllfluoreszenz bezeichnet. Seine Eigenschaften verändern sich mit der Photosyntheseaktivität und den Umweltbedingungen. FLEX – kurz für „Fluorescence Explorer“ – soll dieses Signal erstmals systematisch und global aus dem Weltraum vermessen.

Das ist nicht mit der sogenannten ultraschwachen Photonenemission zu verwechseln. Dabei entsteht ebenfalls kaum sichtbares Licht in biologischem Gewebe, allerdings durch andere biochemische Prozesse. Über dieses Phänomen berichtete ingenieur.de bereits im Beitrag Forscher messen Lebenslicht: Aura von Lebewesen nachgewiesen.

FLEX sieht keine einzelnen kranken Pflanzen

Die Bezeichnung „Pflanzenstress erkennen“ braucht allerdings eine Einschränkung. FLEX wird weder einzelne kranke Pflanzen identifizieren noch auf einem Acker zeigen, welcher Maisstängel unter Wassermangel leidet.

Die geplante räumliche Auflösung beträgt etwa 300 × 300 m. Jeder Messpunkt steht damit für eine Fläche von rund neun Hektar. Die ESA will aus den Daten monatliche globale Karten der Vegetationsfluoreszenz erstellen.

Daran sollen Forschende beispielsweise untersuchen können, wie größere Vegetationsflächen auf Trockenheit, Hitze oder veränderte Niederschläge reagieren. Die ESA erwartet, dass sich Stress anhand der Fluoreszenz teilweise erkennen lässt, bevor deutliche Veränderungen der Vegetation am Boden sichtbar werden.

Für Klimaforschende ist das ebenfalls interessant. Pflanzen binden bei der Photosynthese große Mengen Kohlendioxid. Wie groß diese globale Photosyntheseleistung tatsächlich ist, beschäftigt die Wissenschaft seit Langem. Neue Berechnungen kamen beispielsweise zu dem Ergebnis, dass die weltweite Vegetation möglicherweise deutlich mehr Kohlenstoff aufnimmt als lange angenommen. Mehr dazu: Können Pflanzen ein Drittel mehr CO₂ aufnehmen als bisher gedacht?.

Das schwache Signal steckt zwischen viel reflektiertem Sonnenlicht

Die Messung aus dem Weltraum ist technisch anspruchsvoll. Der Satellit empfängt vor allem Sonnenlicht, das von Böden und Pflanzen reflektiert wird. Die gesuchte Chlorophyllfluoreszenz ist dagegen nur ein schwacher Zusatz in diesem Licht. FLEX trägt deshalb ein speziell dafür entwickeltes Spektrometer namens FLORIS, das Licht im Bereich von 500 bis 780 nm analysiert.

Das Instrument arbeitet mit zwei bildgebenden Spektrometern, die sich eine gemeinsame Teleskopoptik teilen. Einer der Messzweige liefert eine besonders hohe spektrale Auflösung. Dabei werden vor allem Bereiche um die Sauerstoffabsorptionsbanden O₂-A zwischen 759 und 769 nm sowie O₂-B zwischen 686 und 697 nm mit einer spektralen Abtastung von 0,1 nm untersucht. Der zweite Zweig deckt einen größeren Teil des sichtbaren und nahinfraroten Spektrums mit geringerer spektraler Auflösung ab. Genau zwischen diesen beiden optischen Pfaden sitzt ein Bauteil aus Jena.

Zwei Schlitze sind jeweils nur 85 µm breit

Das Fraunhofer IOF entwickelte im Unterauftrag der OHB System AG eine Doppelspalt-Baugruppe aus Silizium. Jeder der beiden Schlitze ist 44,15 mm lang, aber lediglich 85 µm breit. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat häufig eine ähnliche Größenordnung.

Noch bemerkenswerter ist die geforderte Genauigkeit. Die Breite der Schlitze darf über die gesamte Länge nur um ±1 µm vom Sollwert abweichen. Wäre die Öffnung größer oder kleiner, würde eine andere Lichtmenge auf den Detektor treffen und die Messung beeinflussen.

Für die Herstellung entwickelte das Fraunhofer-Team eine spezielle lithografische Prozesskette. Silizium-Wafer wurden zunächst maskiert und strukturiert und anschließend kontrolliert nassgeätzt. Danach erhielten die Schlitze eine schwarze Beschichtung, um störende Reflexionen möglichst gering zu halten.

Auch bei der Montage zählen wenige Mikrometer

Die Herstellung der Schlitze allein genügt nicht. Sie müssen anschließend ebenso präzise in ihre Halterung eingebaut werden. Nach Angaben des Fraunhofer IOF musste das Siliziumelement mit einer Genauigkeit von weniger als 5 µm hochparallel zu den Blenden positioniert werden. Die Ebenheit der Spalte durfte weniger als 10 µm betragen.

Gleichzeitig muss die filigrane Konstruktion einen Raketenstart überstehen. Vibrationen und Beschleunigung wirken auf die Baugruppe, später kommen die Bedingungen im Weltraum hinzu. Die Jenaer Forschenden kombinierten deshalb Formschluss, Klemmung und Klebung, um die Optik dauerhaft in Position zu halten.

Spiegeloberflächen mit 0,3 nm Rauheit

Das Fraunhofer IOF fertigte außerdem zwei Spiegel für die Doppelspalt-Baugruppe. Sie lenken das Licht zu den Detektoren der Spektrometer. Auch hier liegen die Anforderungen weit außerhalb dessen, was mit bloßem Auge überhaupt noch erkennbar wäre. Für die Oberflächen der Spiegel galt eine Rauheitsanforderung von lediglich 0,3 nm rms.

Der rms-Wert beschreibt vereinfacht die mittlere Rauheit der mikroskopischen Höhenabweichungen der Oberfläche. 0,3 nm liegen ungefähr in der Größenordnung von ein bis zwei Atomabständen. Je glatter eine optische Oberfläche ist, desto geringer kann unerwünschtes Streulicht ausfallen – wichtig bei einem Instrument, das ein äußerst schwaches Fluoreszenzsignal aus dem deutlich stärkeren reflektierten Sonnenlicht herauslösen soll.

FLEX startet zusammen mit Sentinel-3C

Der Start ist derzeit für den 15. September 2026 um 03:21 Uhr MESZ vorgesehen. In Kourou in Französisch-Guayana ist es zu diesem Zeitpunkt noch der 14. September, 22:21 Uhr Ortszeit. Eine Vega-C-Rakete soll FLEX gemeinsam mit dem europäischen Erdbeobachtungssatelliten Copernicus Sentinel-3C ins All bringen.

Nach der Inbetriebnahme wird FLEX allerdings zunächst nicht mit dem gleichzeitig gestarteten Sentinel-3C zusammenarbeiten, sondern mit dem bereits im Orbit befindlichen Sentinel-3A. Beide Satelliten sollen nahezu dieselben Gebiete kurz hintereinander beobachten. FLEX fliegt nach ESA-Angaben typischerweise nur etwa 6 bis 15 Sekunden vor dem jeweiligen Sentinel-3-Satelliten über eine Stelle hinweg.

Das ist wichtig, weil FLEX allein nur einen Teil des Bildes liefert. Sentinel-3 steuert unter anderem Informationen über Wolken, Aerosole, Wasserdampf, Oberflächentemperatur, Landbedeckung und weitere Vegetationsparameter bei. Die nahezu gleichzeitig aufgenommenen Daten lassen sich anschließend miteinander kombinieren.

Ein 150 km breiter Blick auf die Vegetation

FLORIS erfasst bei jedem Überflug einen etwa 150 km breiten Streifen der Erdoberfläche. Der Satellit bewegt sich dabei auf einer sonnensynchronen Umlaufbahn in 814 km Höhe. Nach 27 Tagen wiederholt sich der Orbit. Die geplante Mindestbetriebsdauer beträgt dreieinhalb Jahre.

Satellitendaten spielen bei der Beobachtung von Klima und Ökosystemen bereits eine zentrale Rolle. Einen Überblick über weitere Einsatzmöglichkeiten gibt der ingenieur.de-Beitrag Wie Satelliten den Klimawandel im Detail erfassen.

FLEX ergänzt diese Messungen um eine neue Perspektive. Andere Erdbeobachtungsmissionen erfassen beispielsweise, wo Vegetation wächst, wie hoch ihre Temperatur ist oder wie viel Biomasse ein Wald enthält. Der 2025 gestartete ESA-Satellit Biomass nutzt dafür erstmals ein P-Band-Radar aus dem Weltraum und kann damit tief in Wälder hineinblicken. Ein neues Auge für die Erde: Biomass-Satellit macht unsere Wälder in 3D sichtbar. FLEX soll dagegen Informationen über einen Prozess liefern, der in den Pflanzen selbst abläuft: die Photosynthese.

Von der Fluoreszenz zum Kohlenstoffkreislauf

Die Mission ist deshalb mehr als eine Bestandsaufnahme grüner Flächen. Entscheidend ist nicht nur, wie viel Vegetation vorhanden ist, sondern wie aktiv sie arbeitet.

Genau hier bestehen bislang große Unsicherheiten. Trockenheit, Hitze und veränderte Niederschläge können Photosynthese und Wasserhaushalt von Pflanzen beeinflussen. Die FLEX-Daten sollen helfen, solche Veränderungen besser zu erfassen und in Modelle des Kohlenstoff- und Wasserkreislaufs einzubeziehen.

Damit ergänzt FLEX andere europäische Klimamissionen. Die geplanten CO2M-Satelliten sollen beispielsweise Kohlendioxid in der Atmosphäre vermessen und anthropogene Emissionsquellen besser lokalisieren. Wie diese Satelliten bei OHB entstehen, zeigt der ingenieur.de-Beitrag Comeback der Klimasatelliten: Besuch im Reinraum von OHB.

Quellen

• Fraunhofer IOF:Jenaer Präzisionsoptik soll Gesundheit von Pflanzen vom All aus sichtbar machen
• ESA:FLEX – Missionsübersicht
• ESA:FLEX – technische Daten, Messbereiche und Auflösung
• ESA:FLORIS – Aufbau und Funktionsweise des Spektrometers
• ESA:Startvorbereitungen, Starttermin und Tandemflug mit Sentinel-3A