Wettervorhersage mit Mikrowellen

Mikrowellenverstärker des Fraunhofer IAF

In den kommenden Jahren wird die Europäische Weltraumorganisation ESA eine Reihe neuer Wettersatelliten ins All schicken. Sie sollen meteorologische Messgrößen wie Niederschlag, Wasserdampf oder Temperatur genauer als jemals zuvor messen. Dazu verwenden die Forscher extrem empfindliche Mikrowellenverstärker, die auch schwächste Umweltsignale wahrnehmen.

Wettervorhersage basieren auf Computersimulationen, die mit Tausenden von Messdaten gefüttert werden. Die Daten liefern vor allem Satelliten, deren Sensoren die Temperatur oder den Niederschlag auf der Erde erfassen. Die Genauigkeit von Messwerten und Vorhersagen hängt letztlich an der Qualität der Sensoren. Deshalb will die ESA in den nächsten zwei Jahren die zweite Generation ihrer MetOp-Wettersatelliten (Meteorological Operational Satellite) ins All schießen. Für den Bau der sechs Satelliten sind insgesamt 1,4 Milliarden Euro veranschlagt.

Wenige Nanowatt Signalstärke

Kern der Satelliten sind ultragenaue Verstärker, die Mikrowellenstrahlung aufnehmen. Die technologischen Komponenten wurden vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF entwickelt. 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 von Eiskristallen in den Cirrus-Wolken weit oben in der Atmosphäre. Diese sollen einen wichtigen Einfluss auf Klima und Wetter haben. Aus der Mikrowellenstrahlung lässt sich aber auch sehr genau auf die Temperatur des Erdbodens schließen.

Die von den Mikrowellenantennen der Satelliten empfangenen Signale sind allerdings extrem schwach – sie betragen nur wenige Nanowatt. Daher sind für die Messung Verstärker notwendig. Herzstück der Verstärker des IAF ist ein Transistor aus dem Halbleitermaterial Indium-Gallium-Arsenid. Das Material wird von Elektronen sehr leicht durchflossen. So werden die Elektronen im Transistor bereits durch sehr schwache Mikrowellensignale in Bewegung gesetzt – der Transistor wird extrem empfindlich. Messwerte können künftig präziser ermittelt werden, die Zuverlässigkeit der Wettervorhersage steigt. Bisherige Transistoren aus dem Halbleitermaterial Silizium wären dafür zu unempfindlich.

Winzige Elektroden fertigen

Neben dem Indium-Gallium-Arsenid ist auch die geringe Baugröße für die Sensibilität des Transistors verantwortlich. Die Elektroden der Transistoren sind nur 50 bis 35 Nanometer (Millionstel Millimeter) lang. In einem hochgenauen Fertigungsprozess werden die Verstärkerschaltungen in 150 Produktionsschritten aufgebaut, die Elektroden mit einem Elektronenstrahl geformt.

Auf den MetOp-Satelliten werden die Verstärker in drei verschiedenen Mikrowelleninstrumenten eingesetzt, die unterschiedliche Dinge messen. Dafür mussten die Experten verschiedene Sensoren fertigen, die jeweils auf die entsprechende Mikrowellenfrequenz geeicht sind.  Das betrifft fünf Frequenzbänder zwischen 54 und 243 Gigahertz. Je höher die Frequenz, desto leistungsfähiger muss der Verstärker sein.

Nach der ESA hat auch ein US-amerikanisches Unternehmen die Komponenten des IAF angefragt. Möglicherweise werden die Mikrowellenverstärker bald auch an Bord von US-Satelliten ins All starten.

© Foto Fraunhofer IAF: Verstärkermodul mit rauscharmen, hochempfindlichen Mikrowellenverstärker, basierend auf dem Halbleitermaterial Indium-Gallium-Arsenid.