Europäische Weltraumorganisation ESA
Industrie
3 min

Atomuhren im Vakuum

Experimentallabor der Weltraumorganisation ESA überprüft Relativitätstheorie und setzt auf zuverlässige Technik.

Derzeit entsteht bei Airbus Defence and Space in Immenstaad am Bodensee im Auftrag der Europäischen Weltraumorganisation ESA das Atomic Clock Ensemble in Space (Aces). Das Experimentallabor, das als Außenstation des Columbus-Raumlabors an die Internationale Raumstation ISS angedockt werden soll, enthält zwei Atomuhren unterschiedlicher Funktionsprinzipien. Ziel ist eine hochgenaue Überprüfung der Relativitätstheorie durch einen Vergleich der Weltraum- mit Bodenatomuhren. Siemens-Technik überwacht und regelt den Druck und die Temperatur der Vakuumkammer, in der die Atomuhren auf der Erde getestet werden.
Die Relativitätstheorie von Albert Einstein wurde vielfach experimentell bestätigt. Eine Vereinheitlichung mit ebenfalls sehr erfolgreicher Quantentheorie ist allerdings eines der heißen Eisen der Grundlagenphysik. Aces kann hier wichtige experimentelle Beiträge leisten. So ist etwa eine Überprüfung der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit – Grundvoraussetzung der Relativitätstheorie – ein Ziel des Experiments. Die Aces-Atomuhren ermöglichen dies durch eine ultimative Genauigkeit von weniger als einer Sekunde in 300 Millionen Jahren.

Zusammenarbeit auf europäischer Ebene

Die Atomuhren in dem Experimentallabor haben unterschiedlichen Funktionsprinzipien. Pharao (Projet d’horloge atomique par refroidissement d’atomes en orbite), der französische Beitrag, ist eine lasergekühlte Cäsium-Uhr, der SHM (Space Hydrogen Maser), ein Wasserstoff-Maser, ist der Schweizer Beitrag. Die Messzeiten in Pharao, das heißt die Freiflugphase der Cäsiumatome, lässt sich in der Schwerelosigkeit deutlich verlängern. Dies resultiert direkt in einer höheren Genauigkeit. Die komplementären Eigenschaften der beiden Uhren erlauben eine Verbesserung der einzelnen Signale innerhalb von Aces. Das resultierende Aces-Signal wiederum, beeinflusst durch relativistische Effekte aufgrund der hohen Geschwindigkeit von acht km/s (Kilometer pro Sekunde) und einem in dieser Höhe deutlich unterschiedlichen Gravitationspotential, wird mit mehreren Referenzuhren auf der Erde verglichen. Eine solche Referenzuhr betreibt die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig. Der Uhrenvergleich erfolgt gleichzeitig über einen Mikrowellenlink und eine Laserstrecke, um atmosphärische Effekte kompensieren zu können.
Bevor Aces im Weltall installiert werden kann, muss die Weltraumtauglichkeit und die volle Leistungsfähigkeit unter möglichst realistischen Bedingungen auf Herz und Nieren getestet werden. Dazu wird Aces in eine Vakuumkammer eingebaut. Für den Test werden die Änderungen des Erdmagnetfelds und der Temperatur, denen das Raumlabor auf seiner Umlaufbahn ausgesetzt sein wird, simuliert. Um die optimale Funktionsfähigkeit der Atomuhren zu gewährleisten, muss die Temperatur durch Heiz- beziehungsweise Kühlelemente auf -30 bis +70 Grad Celsius gehalten werden. Diese Regelung übernimmt im Simulationsbetrieb ein Simatic Controller von Siemens. Die Sensoren, Heiz- und Kühlelemente für die 36 Regelkreise, sind über die dezentrale Peripherie Simatic ET 200SP angeschlossen.

Hohe Zuverlässigkeit

Die wichtigste Funktion des Automatisierungssystems ist die Überwachung der Vakuumpumpe. Sollte diese ausfallen oder auch nur ein minimaler Druckanstieg gemessen werden, muss der Versuch sofort abgebrochen werden. Der Druckanstieg könnte sonst innerhalb von Aces aufgrund des Corona-Effekts zu einem Ladungsüberschlag in den Hochspannungsversorgungen der Ionenpumpen in den Atomuhren führen. Dies wäre ein für Aces katastrophaler Fehler. Achim Kirchmaier, AIT Manager im Airbus Raumfahrtbereich, hat für diese verantwortungsvolle Sicherheitsfunktion eine fehlersichere Simatic S7-317F gewählt, weil er die hohe Zuverlässigkeit dieser Siemens-Steuerung bereits bei vielen anderen Anwendungen in Hochsicherheitsbereichen kennen und schätzen gelernt hat.
Es erscheint kaum vorstellbar, aber längerfristig wird die Steigerung der Messgenauigkeit nicht nur der Grundlagenforschung dienen, sondern durchaus auch praktischen Nutzen haben. Angefangen von Satellitennavigationssystemen, deren Kern Atomuhren darstellen, bis hin zu einer weltweiten Zeitsynchronisation etwa von Hochgeschwindigkeitsdatennetzwerken.

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