Betrieb des Hisaki-Satelliten zur spektroskopischen Planetenbeobachtung beendet
Zehn Jahre Beitrag von Shimadzus Beugungsgitter

Im Dezember 2023 beendete der spektroskopische Planetenobservatoriumssatellit Hisaki seine zehnjährige Betriebszeit. Das Herzstück des für die Beobachtungen benötigten Spektrometers ist ein von der Shimadzu Corporation entwickeltes Beugungsgitter.

Forscher der JAXA und der Universität sowie Mitarbeiter von Shimadzu blickten auf das 15-jährige Hisaki-Projekt zurück und dankten einander.

Im März 2025 besuchten sechs Forscher der Japanischen Raumfahrtbehörde (JAXA), der Universität Tokio, der Universität Tohoku und der Rikkyo-Universität die Shimadzu Corporation, um den Mitarbeitern über die Erfolge des Hisaki-Projekts zu berichten und das Konzept für die Entwicklung des Nachfolgemodells vorzustellen. Darüber hinaus tauschten sie sich mit Mitgliedern des ursprünglichen Entwicklungsteams und anderen Shimadzu-Mitarbeitern aus, die das Projekt vor 15 Jahren initiiert hatten.

 

Shimadzus Beugungsgitter unterstützt
Beobachtungen zur Bestimmung des Ursprungs der Planeten

Präsentationen von JAXA-Forschern bei der Shimadzu Corporation

Man sagt, dass Venus und Mars bei der Entstehung des Sonnensystems der Erde sehr ähnlich waren und reichlich Luft und Wasser besaßen. Vor mehreren Milliarden Jahren wandelte sich Venus jedoch zu einem glühend heißen Planeten mit Oberflächentemperaturen von über 450 °C und Mars zu einem eiskalten Planeten mit Temperaturen unter -50 °C.

Was hat diesen enormen Temperaturunterschied verursacht? Warum ist die Erde der einzige Ort im Universum mit einer Umgebung, die Leben ermöglicht? Vielleicht könnten wir, wenn wir diese Fragen beantworten könnten, darüber sprechen, wie die Erde in ferner Zukunft aussehen wird. Das sind einige der Überlegungen von Forschern, die Hisaki zu seinem Weltraumflug inspirierten.

Hisaki ist das weltweit erste Weltraumteleskop zur Planetenbeobachtung, das mit einem von JAXA entwickelten Extrem-Ultraviolett-Spektrometer ausgestattet ist. Obwohl es als Teleskop bezeichnet wird, liefert Hisaki keine fotografischen Bilder von Planeten. Es beschränkt sich auf die Untersuchung der atmosphärischen und magnetischen Eigenschaften von Zielplaneten mittels spektrometrischer Messungen. Die Geräteabteilung von Shimadzu war für die Entwicklung des Beugungsgitters verantwortlich, dem Kernstück des Spektrometers.

Shimadzu begann vor 50 Jahren mit der Herstellung von Beugungsgittern, optischen Bauteilen, die wie ein Regenbogen leuchten.

Beugungsgitter sind optische Elemente, die für Technologien zur Trennung (Monochromatisierung) von Licht in seine jeweiligen Wellenlängen unerlässlich sind. Die Monochromatisierung ist eine Analysetechnologie, die nicht nur für Chemie, Biologie und andere Forschungsbereiche von zentraler Bedeutung ist, sondern auch für Fortschritte in einer Vielzahl anderer Branchen, wie beispielsweise der Halbleiter-, Material-, Laser- und optischen Kommunikationstechnik, entscheidend ist.

Die Herstellung von Beugungsgittern erfordert hochentwickelte Verarbeitungstechnologien, darunter das Aufbringen eines Dünnfilms auf ein Substrat und das Schneiden von Rillen im Mikrometerbereich (1/1000 Millimeter). Shimadzu begann ab etwa 1975 mit RIKEN, einer nationalen Forschungs- und Entwicklungsagentur, zusammenzuarbeiten, woraus neue Fertigungstechniken entwickelt und patentiert wurden. Später fertigte Shimadzu Beugungsgitter eigenständig. Mit der Verbesserung der Fertigungstechnologien entwickelten sich diese zu einem unverzichtbaren Bestandteil der einzigartigen spektrometrischen Systeme von Shimadzu.

Entwickelt aus dem festen Willen, Kundenbedürfnisse zu befriedigen

Für die in der Raumfahrt unter speziellen Bedingungen eingesetzten Beugungsgitter werden außergewöhnliche Spezifikationen benötigt. Hisakis Messungen konzentrieren sich auf extrem ultraviolettes Licht, dessen Wellenlängen so kurz sind, dass sie aufgrund von atmosphärischen Störungen auf der Erde nicht messbar sind. Selbst bei weltweiter Suche ist es schwierig, eine Quelle für ein Beugungsgitter zu finden, das solch kurze Wellenlängen monochromatisieren kann. Daher lehnten Hersteller von Beugungsgittern weltweit die Anfrage des Hisaki-Teams zur Entwicklung eines solchen Gitters wiederholt ab.

Der damalige Projektleiter von Hisaki, JAXA-Professor Atsushi Yamazaki, erinnerte sich: „Als wir zum ersten Mal Kontakt mit Shimadzu aufnahmen, wies Shimadzu uns nicht gleich ab, sondern fragte nach dem Projekt. So nahm das Projekt seinen Anfang.“

Die Spezifikationen für das im Hisaki-Teleskop zu installierende Beugungsgitter verlangten, dass ein mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) aufgebrachter Dünnfilm auf ein spezielles Siliziumkarbid-Substrat (SiC) mit asphärischer Oberfläche aufgebracht und anschließend mit 1800 Rillen pro Millimeter versehen wurde. Die Rillenbreite von Spitze zu Tal betrug lediglich 0,556 µm*. Darüber hinaus wurden strenge Anforderungen an die Oberflächenglätte der reflektierenden Oberflächen nach dem Einbringen der Rillen gestellt. Yamazaki lachte, als er sich erinnerte: „Es war absurd, Spezifikationen zu fordern, die mit herkömmlichen Prüfmethoden gar nicht messbar waren.“

*1µm = 0,001 mm

Naotaka Murata, stellvertretender Leiter der Abteilung Industrievertrieb, Nationale Vertriebsabteilung, Vertriebs- und Marketingabteilung, Shimadzu Corporation

Naotaka Murata, der damals für das Projekt zuständige Vertriebsmitarbeiter, lachte, als er alte E-Mails durchsah und sagte: „Die Anforderungen waren definitiv extrem anspruchsvoll. Dennoch hatten wir den Geist unseres Gründers, Genzo Shimadzu Sr., verinnerlicht, der lautete: ‚Wir fertigen, was immer der Kunde wünscht.‘ Ich erinnere mich, dass die Teammitglieder, mich eingeschlossen, positiv reagierten und sagten: ‚Lasst es uns erst einmal versuchen, und dann können wir darüber sprechen, was zu tun ist, wenn es schiefgeht.‘“

Die Herausforderung unseres ersten Weltraumprojekts führte zu einer Reihe von Schwierigkeiten.

Hiroyuki Sasai, General Manager, Geräteabteilung, Shimadzu Corporation

Gleich zu Beginn der eigentlichen Entwicklung stießen sie auf eine Reihe von Schwierigkeiten. Sasai, der damalige Chefingenieur, erinnerte sich: „Neben der Schwierigkeit, überhaupt Muster zu bestellen, traten auch nach deren Fertigung allerlei Probleme auf, beispielsweise lieferten sie keine zufriedenstellenden Daten. Daher dauerte es etwa anderthalb Jahre, in denen wir immer wieder Prototypen entwickelten und überprüften, bis wir schließlich Erfolg hatten. Doch diese zusätzliche Mühe machte die Freude umso größer, als die Hisaki endlich ins All geschickt wurde.“

Hisaki musste eine Zuverlässigkeit von einem Jahr für bewegliche und drei Jahren für unbewegliche Teile gewährleisten. Dies ermöglichte jedoch kontinuierliche Messungen im Weltraum über einen deutlich längeren Zeitraum von zehn Jahren. Die Anzahl wissenschaftlicher Publikationen, die Hisaki-Messdaten nutzten, hat 67 erreicht (einschließlich Veröffentlichungen in Science und Nature Communications bis Januar 2025).

Atsushi Yamazaki sagte: „Trotz unserer anspruchsvollen Anfragen an Shimadzu arbeiteten sie weiterhin eng mit uns zusammen und reagierten mit technischer Expertise. Ihre Freude an der Arbeit machte die Zusammenarbeit sehr angenehm. Diesen Eindruck hatte ich auch bei meinem Besuch. Ich hoffe, Shimadzu bleibt sich treu. Für uns, die wir einzigartige Spektrometer entwickeln, die es nirgendwo sonst auf der Welt gibt, sind sie eine wahre Rarität.“

In der hinteren Reihe, von links: Masato Kagitani, Assistenzprofessor an der Universität Tohoku, Shingo Kameda, Professor an der Universität Rikkyo, Go Murakami, Assistenzprofessor bei JAXA, Fuminori Tsuchiya, Professor an der Universität Tohoku, sowie Naotaka Murata und Yoshitaka Makino von der Shimadzu Corporation.
In der ersten Reihe, von links: Kazuo Yoshioka, außerordentlicher Professor an der Universität Tokio, Atsushi Yamazaki, außerordentlicher Professor bei JAXA, sowie Hiroyuki Sasai und Yuki Oue von der Shimadzu Corporation.