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Meteorologische Messgrößen Empfindliche Mikrowellenverstärker verbessern die Wettervorhersage

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Wichtige meteorologische Messgrößen wie Niederschlag, Wasserdampf oder Temperatur lassen sich mit hochempfindlichen Mikrowellenverstärkern besser messen: Fraunhofer-Forscher haben dazu einen hochempfindlichen Mikrowellenverstärker entwickelt.

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Gewiiterzelle: Mit Hilfe von hochpräzisen Mikrowellenverstärkern wollen Fraunhofer-Forscher die Wettervorhersage verbessern.
Gewiiterzelle: Mit Hilfe von hochpräzisen Mikrowellenverstärkern wollen Fraunhofer-Forscher die Wettervorhersage verbessern.
(Bild: pixabay / CC0 )

Die Europäische Raumfahrtagentur ESA wird in den kommenden Jahren eine Reihe neuer Wettersatelliten ins All schicken, die wichtige meteorologische Messgrößen wie Niederschlag, Wasserdampf oder Temperatur besser denn je messen können. Herz dieser Messgeräte sind extrem empfindliche Mikrowellenverstärker, die am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF entwickelt wurden. Diese können auch sehr schwache Signale aus der Umwelt wahrnehmen, die für genauere Wettervorhersagen wichtig sind.

Mit den Satelliten werden auch kleine aber sehr feine technische Komponenten des Fraunhofer IAF mit ins All starten: ultragenaue Verstärker, die Mikrowellenstrahlung aufnehmen. Diese Strahlung wird von jedem Körper, jeder Fläche abgegeben – so ähnlich wie ein Körper Wärme abstrahlt, die man im Infrarotbild sehen kann.

Die Verstärker sind auf Mikrowellenfrequenzen geeicht, weil diese wichtige meteorologische Informationen liefern: Sie fangen Mikrowellen auf, die von Wasserdampf, Regen, Nebel oder Eiskristallen abgegeben werden – insbesondere auch von den Eiskristallen in den Cirrus-Wolken weit oben in der Atmosphäre, die einen wichtigen Einfluss auf das Klima und das Wetter haben sollen. Auch lässt sich aus der Mikrowellenstrahlung sehr genau auf die Temperatur auf dem Erdboden schließen.

Signalstärke von wenigen Nanowatt

Verstärkermodul: Die rauscharmen, hochempfindlichen Mikrowellen-Verstärker des Fraunhofer IAF können bereits Signale von wenigen Nanowatt wahrnehmen. Sie basieren auf dem Halbleitermaterial Indium-Gallium-Arsenid.
Verstärkermodul: Die rauscharmen, hochempfindlichen Mikrowellen-Verstärker des Fraunhofer IAF können bereits Signale von wenigen Nanowatt wahrnehmen. Sie basieren auf dem Halbleitermaterial Indium-Gallium-Arsenid.
(Bild: Fraunhofer IAF)

Die Signale, welche die Mikrowellen-Antennen der Satelliten empfangen, sind allerdings extrem schwach. Sie betragen nur wenige Nanowatt. Um diese Mikrowellensignale überhaupt verlässlich messen zu können, braucht man Verstärker. „Herzstück der Verstärker ist ein Transistor aus dem Halbleitermaterial Indium-Gallium-Arsenid“, erklärt Dr. Michael Schlechtweg, der am Fraunhofer IAF das Geschäftsfeld Hochfrequenzelektronik leitet.

„Dieses Material hat die Eigenschaft, dass es von Elektronen sehr leicht durchflossen wird, selbst wenn das elektrische Feld, das die Elektronen antreibt, sehr klein ist.“ Entsprechend werden die Elektronen im Transistor bereits durch sehr schwache Mikrowellensignale in Bewegung gesetzt, was den Transistor extrem empfindlich macht.

„Dank der Mikrowellenschaltungen des Fraunhofer IAF können die MetOp-Satelliten künftig Temperatur, Wasserdampf und Niederschlagsart noch präziser ermitteln. Dies erhöht die Zuverlässigkeit der Wettervorhersage“, betont ESA-Projektleiter Ville Kangas. Transistoren aus dem herkömmlichen Halbleitermaterial Silizium hingegen wären dafür viel zu unempfindlich.

Doch nicht das Indium-Gallium-Arsenid allein macht die Verstärker so empfindlich. Auch die geringe Baugröße trägt ihren Teil dazu bei. Die Elektroden der Transistoren sind gerade einmal 50 bis 35 nm lang. Erst damit werden winzige Elektronenströme beziehungsweise Signale messbar. „Diese extreme Empfindlichkeit und geringe Baugröße sind das Ergebnis 25 Jahre langer Forschungsarbeit“, betont Michael Schlechtweg.

„In dieser Zeit haben wir einen hochgenauen Fertigungsprozess entwickelt, bei dem die Verstärkerschaltungen in 150 Produktionsschritten aufgebaut werden. Die Elektroden formen wir mit einem Elektronenstrahl. In dieser Präzision können das weltweit nur einige ganz wenige Firmen.“

Sensoren messen Mikrowellenfrequenzen

Auf den MetOp-Satelliten werden die Verstärker in drei verschiedenen Mikrowelleninstrumenten eingesetzt, die unterschiedliche Dinge messen – eben Niederschlag, Wasserdampf, Eiskristalle oder Temperatur. Dafür mussten die Experten um Schlechtweg verschiedene Sensoren fertigen, die jeweils auf die entsprechende Mikrowellenfrequenz geeicht sind – konkret sind es fünf Frequenzbänder zwischen 54 und 243 GHz. 243 GHz sei ein beachtlicher Wert, betont Schlechtweg, denn je höher die Frequenz, desto leistungsfähiger müsse wiederum der Verstärker sein.

Und sie haben nicht nur die ESA überzeugt: Vor kurzem hat ein US-amerikanisches Unternehmen angefragt. Gut möglich also, dass die Mikrowellen-Verstärker aus dem IAF demnächst auch an Bord von US-Satelliten ins All starten.

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