IR-Wärmestrahlung

T.3.1. Infrarot: Wärmestrahlung aus dem All

Im Jahre 1800 wies der in Hannover geborene Musiker und Astronom Friedrich Wilhelm Herschel (1738-1822) erstmals diese für das menschliche Auge unsichtbare Form der Energie nach. Dies gelang ihm bei einer Versuchsreihe, in der er zunächst Sonnenlicht wie üblich mit einem Prisma zerlegte. Anschließend vermaß er die Erwärmung eines Thermometers durch die unterschiedlichen Lichtkomponenten des optischen Spektrums.

Sein Ziel war es Filter konstruieren, die die Sonnenstrahlen davon abhalten sollten, durch Erhitzung ständig seinen Teleskop-Reflektor mechanisch zu verzerren. Dabei fand er jenseits des roten Lichtes noch ein weiteres unsichtbares "Licht", das den Gesetzen der Optik gehorcht und einen großen Teil zur Erwärmung beitrug (LEA86).

Dies ist lange her und heute wird die IR-Strahlung nicht nur als Fluch für den Instrumentenbau gesehen, sondern als wertvoller Nachrichtenträger aus der Kinderstube der Sterne. Insbesondere das mittlere und ferne IR ist hierbei von Interesse.

a) Bolometer

Figur BOE: Bolometer mit Sensorbauteil (12,12a,13) und elektrischen Anschlüssen (25,26) (aus DE 26 53 865 C2).

Zum Nachweis der IR-Wellenlängen verwendet man meist Bolometer. Ihre Funktionsweise beruht häufig auf der Änderung des elektrischen Widerstandes in einem Sensorbauteil, die durch die Absorption von IR-Strahlung und eine damit einhergehende Temperaturänderung hervorgerufen wird (z.B. DE 26 53 865 C2, Figur BOE).

Figur BOA: Bolometerarray mit Einzelsensoren (8) (aus FR 2 735 574 A1).

Derartige Bolometer können auch zu Tausenden in einem Sensorfeld angeordnet werden und bilden so ein Analogon zu einer Thermografiekamera. Ein immer noch aktuelles Beispiel hierfür ist etwa der Figur BOA zu entnehmen (aus FR 2 735 574 A1).

b) Kühlung der Apparaturen

Für viele astronomische IR-Messungen ist es notwendig, die gesamte IR-Apparatur auf sehr geringe Temperaturen abzukühlen. Ein Grund hierfür ist, dass durch die Eigentemperatur der Bestandteile der IR-Messvorrichtung Störsignale erzeugt werden, die sich einem Nutzsignal überlagern und somit das Messergebnis verfälschen. Dagegen geht man mit Kryostaten und anderen Kühlelementen vor, die die Geräte auf eine Temperatur von wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt herunterkühlen.

c) Infrarot-Observatorien

Figur FRF: Ausfaltbarer Satelliten-Reflektor (aus US 5 898 529 A).

Der erste "echte" Infrarot-Satellit wurde 1995 mit dem "Infrared Space Observatory" (ISO) gestartet und auch heute sind beispielsweise mit dem "Spitzer-Space-Telescope" (SST, seit 2003) am Himmel und dem VLTI am Boden leistungsfähige Apparaturen an der Erforschung der IR-Strahlung aus dem Kosmos beteiligt.

Das "James-Webb-Space-Telescope" (JWST) soll der nächste Meilenstein für die Astronomie im nahen und mittleren IR-Bereich werden. Es ist geplant, JWST mit einem in seiner Größe noch nie da gewesenen zusammenfaltbaren Reflektor von 6,5 m Durchmesser auszustatten und so die Informationslücke bei hochaufgelösten IR-Daten zu schließen, die sich aufgrund der Beschränkung des Hubble-Space-Teleskops auf den optischen und UV-Bereich ergibt.

Wie die Technologie hinter einem solchen auffaltbaren Reflektor aussehen könnte, ist der US 5 898 529 A zu entnehmen (Figur FRF).

Zitierte Patentdokumente
Patentnummer	Jahr	Titel
DE 26 53 865 C2	1975	Bolometer
FR 2 735 574 A1	1995	Dispositif de détection bolométrique pour ondes millimétriques ou submillimétriques et procédé de fabrication de ce dispositif
US 5 898 529 A	1997	Deployable space-based telescope

Ergänzungsdokumente
Patentnummer	Jahr	Titel
WO 2001 035 467 A1	2000	Transition edge detector technology for high performance IR focal plane arrays
FR 2 855 609 B1	2003	Dispositif de détection bolométrique à antenne, à cavité optimisée, pour ondes électromagnétiques millimétriques ou submillimétriques, et procédé de fabrication de ce dispositif
US 2008 0 272 302 A1	2006	Ultra-Sensitive Optical Detector With High Time Resolution

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