Bitki sağlığının uzaydan görülebilmesini sağlayan hassas optikler

ESA Dünya gözlem misyonu FLEX, planlandığı gibi 15 Eylül 2026’da uzaya fırlatıldığında, Almanya’nın Jena kentinden yüksek hassasiyetli optik bileşenler taşıyacak. Fraunhofer Uygulamalı Optik ve Hassas Mühendislik Enstitüsü IOF’deki araştırmacılar, uydudaki spektrometre için silikon bazlı çift yarıklı bir düzeneğin yanı sıra iki yüksek hassasiyetli ayna geliştirdi ve üretti. Spektrometre, Dünya’nın yörüngesinden gelen güneş ışığının uyardığı bitkilerin floresansını tespit etmek için tasarlandı. Verilerin bitki örtüsünün fotosentetik aktivitesi, sağlığı ve stres seviyeleri hakkında yeni bilgiler sağlaması bekleniyor.

FLEX misyonu şu soruyu ele alacak: Bitkiler ne kadar ışık yayar ve bu ışık emisyonu bize bitkilerin sağlığı hakkında ne söyleyebilir? Uydunun kalbinde “Floresan Görüntüleme Spektrometresi” veya kısaca FLORIS yer alacak. Diğer birçok spektrometreden farklı olarak FLORIS, tek bir ışık kanalıyla değil iki ışık kanalıyla çalışır: Bir kanal, yakın bitişik dalga boyları hakkında özellikle yüksek çözünürlüklü bilgi sağlarken, ikincisi, ışık spektrumunun daha geniş bir aralığını kapsar. Bu, son derece hassas bir çift yarık düzeneği gerektirir.

Fraunhofer IOF FLEX projesinin proje yöneticisi Dr. Falk Kemper, “Tesisler tarafından yayılan floresans sinyalleri çok zayıf. FLORIS’in bu sinyalleri güvenilir bir şekilde analiz edebilmesi için optik bileşenlerin olağanüstü bir hassasiyetle üretilip birleştirilmesi gerekiyor” diyor. “Çift yarık, yüksek spektral çözünürlük ile geniş spektral kapsamın birleşimini mümkün kılıyor. Üretimi, teknik olarak mümkün olanın sınırlarını zorladı.”

Mikro ve nanometre aralığında hassasiyet

Fraunhofer IOF’da geliştirilen düzenekteki iki yarıktan her biri, 44,15 milimetre uzunluğunda tam olarak 85 mikrometre genişliğindedir; izin verilen sapma yalnızca artı veya eksi 1 mikrometredir. Bunun ötesindeki sapmalar, dedektöre çok fazla veya çok az ışık gelmesine ve dolayısıyla ölçüm verilerinin değerlendirilmesinin bozulmasına neden olur.

Üretim süreci için Fraunhofer araştırmacıları, silikon levha yapılanmasına yönelik özel bir litografik süreç zinciri geliştirdi. Gofretler maskelendi, desenlendi ve zaman kontrollü bir şekilde ıslak olarak kazındı. Daha sonra yarıklar, gerekli optik özellikleri elde etmek ve istenmeyen yansımaları en aza indirmek için siyah bir katmanla kaplandı.

Mekanik tutucudaki yarıkların gerekli doğruluğu, montaj sürecinde yüksek talepler doğurur: Hassas silikon elemanın, deliklere yüksek paralellik sağlanarak tutucuya 5 mikrometreden daha az bir hassasiyetle yerleştirilmesi gerekiyordu. Yarıkların düzlüğünün 10 mikrometreden az olması gerekiyordu. Form uyumu, kenetleme ve birleştirme kombinasyonu, düzeneğin şiddetli titreşimler, ivmelenmeler ve sıcaklık dalgalanmaları dahil olmak üzere roket fırlatılmasından kaynaklanan gerilimlere dayanabilmesini sağlar.

Fraunhofer IOF, çift yarığa ek olarak yarık düzeneğine entegre iki ayna da üretti. Gelen ışığı spektrometrenin dedektörlerine yönlendirirler. Yüzeylerinin 0,3 nanometre rms (ortalama karekök) pürüzlülük gereksinimini karşılaması gerekiyordu; bu da kabaca bir ve iki atom arasındaki mesafeye karşılık geliyor.

Bitki aktivitesinin uzaydan izlenmesi

FLEX, “Floresans Gezgini” anlamına gelir. Avrupa Uzay Ajansı’nın (ESA) misyonu, bitki floresansının küresel haritalarını sağlamayı amaçlamaktadır. Bu floresans, fotosentez sırasında ortaya çıkar ve bitkilerin ne kadar aktif bir şekilde çalıştığının ve örneğin kuraklık, sıcaklık veya diğer stres faktörleriyle karşılaşıp karşılaşmadıklarının bir göstergesi olarak hizmet edebilir. FLEX’ten elde edilen veriler, diğer şeylerin yanı sıra, ekosistemlerin, tarımın ve ormanların izlenmesini iyileştirmenin yanı sıra iklim ve bitki örtüsü araştırmaları için yeni temeller oluşturmayı da amaçlıyor.

Çift yarık düzeneği Fraunhofer IOF’da OHB System AG’nin alt sözleşmesi kapsamında geliştirilmiş ve üretilmiştir. Spektrometrenin entegrasyonu ve görev için diğer hazırlıklar Leonardo SpA ve Thales Alenia Space tarafından yürütüldü. Görev ESA tarafından görevlendirildi.