Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Einstein auf dem Prüfstand – zwei Präzisionsexperimente mit Lasern aus Berlin im Weltraum

25.01.2016

Erfolgreiche Tests der Projekte KALEXUS und FOKUS an Bord der Forschungsrakete TEXUS-53 in Schwerlosigkeit durchgeführt

Albert Einsteins Relativitätstheorie zufolge werden im Vakuum alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich schnell durch die Erdanziehungskraft beschleunigt. Dieses Äquivalenzprinzip gilt für Steine, Federn und Atome gleichermaßen. Unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit kann besonders lange und damit präzise gemessen werden, ob verschieden schwere Atome tatsächlich „gleich schnell fallen“.

Für die ersten Präzisionsmessungen im Weltraum mit kalten Atomen sind Kalium und Rubidium als Atomspezies geeignete Kandidaten. In Vorbereitung auf diese Messungen wurden am 23. Januar in Kiruna, Schweden, gleich zwei Experimente erfolgreich auf einer Höhenforschungsrakete durchgeführt. Dies hat nun eine erste Auswertung gezeigt.

Die Humboldt-Universität zu Berlin (HU) und das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) testen in den Projekten KALEXUS und FOKUS modernste Lasertechnologien. Die anspruchsvollen Technologiedemonstratoren legen die Grundlagen für präzise Tests des Äquivalenzprinzips mit sogenannten Kalium- und Rubidium-Atominterferometern und weiteren Experimenten zur Einstein’schen Relativitätstheorie. Forscher erhoffen sich von entsprechenden Experimenten Hinweise zur Bewältigung einer der womöglich größten Herausforderungen der modernen Physik: Die Vereinigung der Gravitation mit den anderen drei grundlegenden Wechselwirkungen in einer einheitlichen Theorie.

Laserexperimente mit Kalium- und Rubidiumatomen: KALEXUS und FOKUS

In dem Projekt KALEXUS wurde unter der Leitung der Arbeitsgruppe Optische Metrologie an der HU ein stabiles Lasersystem für die Manipulation von Kaliumatomen aufgebaut. Herzstück sind zwei vom FBH entwickelte, mikrointegrierte Halbleiterlasermodule. In KALEXUS wird die Wellenlänge dieser Lasermodule auf einen atomaren Übergang von Kalium eingestellt.

Während der sechsminütigen Schwerelosigkeit stabilisiert das Experiment die Wellenlänge beider Laser selbstständig. Außerdem kann das Lasersystem während des Fluges eigenständig zwischen den Laserquellen hin und her schalten. Schließlich lassen sich derartige Experimente nicht einfach wiederholen, und die Wissenschaftler können während des Flugs nicht korrigierend eingreifen. Zudem dürfen die Messungen nicht gefährdet sein, falls einer der Laser ausfallen sollte.

Zusätzlich wurde im Projekt FOKUS, geleitet von Menlo Systems, ein weiteres Lasermodul des FBH an der HU zum System aufgebaut. Der auf einen atomaren Übergang von Rubidium stabilisierte Laser soll die Technologiereife entsprechender Aufbauten für spätere Falltests von Atomen in Schwerelosigkeit demonstrieren. Das Lasersystem ermöglicht zudem einen Uhrenvergleich. Dabei wird die Frequenz dieses „optischen Oszillators“ mit der eines Quarzoszillators, der wie eine moderne Armbanduhr im Radiofrequenzbereich „tickt“, verglichen.

Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt nämlich auch voraus, dass der Gang aller Uhren in gleicher Weise von der Gravitation beeinflusst wird, unabhängig davon, wie diese Uhren physikalisch oder technisch realisiert sind. Ein erster Test im April 2015 bestätigte die Tauglichkeit derartiger „Atomuhren“ und der dafür benötigten Lasersysteme zur Überprüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie im Weltraum. Ziel ist es nun, diese ersten Ergebnisse nach einigen technischen Optimierungen des Systems zu bestätigen.

Zwei Technologieansätze im direkten Vergleich

Die beiden Experimente verwenden verschiedene Lasertypen aus dem FBH, was einen Vergleich ihrer Lasertechnologien für das Einsatzszenario erlaubt. Kernstück des FOKUS-Moduls ist ein DFB (Distributed Feedback) Laser, der Licht in einem engen Frequenz- beziehungsweise Wellenlängenbereich bei 780 nm abgibt. Diese spektrale Schmalbandigkeit ist eine der zentralen Anforderungen an das Lasermodul, welches für die Spektroskopie der Rubidiumatome und damit für Präzisionsmessungen benötigt wird.

KALEXUS nutzt einen ECDL-Aufbau (Extended Cavity Diode Laser), der dank eines externen Gitters eine noch schmalere Linienbreite liefert. Der Laser ist für spektroskopische Messungen mit Kaliumatomen optimiert und emittiert bei einer Wellenlänge von 767 nm.

Das externe Gitter macht ihn jedoch – im Gegensatz zum monolithischen Aufbau des FOKUS-Lasers – potenziell störungsanfälliger. Schließlich müssen die handtellergroßen Module die mechanischen Belastungen beim Raketenstart mit Beschleunigungen bis zum 15-fachen der Erdbeschleunigung überstehen und anschließend im Weltraum reibungslos funktionieren.
Die Projekte KALEXUS und FOKUS werden vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) finanziert.

Das zugehörige Pressefoto finden Sie hier: http:////www.fbh-berlin.de/presse/pressemitteilungen/detail/einstein-auf-dem-pruefstand-zwei-praezisionsexperimente-mit-lasern-aus-berlin-im-weltraum zum Download. Bitte beachten Sie das Copyright.

Kontakte
Prof. Dr. Achim Peters,
Humboldt-Universität zu Berlin
AG Optische Metrologie
Tel. 030.2093-4905
achim.peters@physik.hu-berlin.de

Dr. Markus Krutzik
Humboldt-Universität zu Berlin
Tel. (030) 2093 4906
markus.krutzik@physik.hu-berlin.de

Petra Immerz
Ferdinand-Braun-Institut
Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik
Tel. 030.6392-2626
petra.immerz@fbh-berlin.de

Über das Joint Lab Laser Metrology
Im Rahmen dieses Joint Labs werden sehr schmalbandige Diodenlaser, unter anderem für die optische Präzisionsspektroskopie im Weltraum entwickelt. Hierbei arbeiten die Arbeitsgruppe Optische Metrologie der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der HU und das Ferdinand-Braun-Institut eng zusammen. Dadurch können die gemeinsamen Interessen und komplementären Expertisen der HU und des FBHs optimal gebündelt werden.

Hans-Christoph Keller | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Volle Wertschöpfungskette in der Mikrosystemtechnik – vom Chip bis zum Prototyp
18.10.2019 | Forschungsverbund Berlin e.V.

nachricht Lumineszierende Gläser als Basis neuer Leuchtstoffe zur Optimierung von LED
17.10.2019 | Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Die schnellste Ameise der Welt - Wüstenflitzer haben kurze Beine, aber eine perfekte Koordination

Silberameisen gelten als schnellste Ameisen der Welt - obwohl ihre Beine verhältnismäßig kurz sind. Daher haben Forschende der Universität Ulm den besonderen Laufstil dieses "Wüstenflitzers" auf einer Ameisen-Rennstrecke ergründet. Veröffentlicht wurde diese Entdeckung jüngst im „Journal of Experimental Biology“.

Sie geht auf Nahrungssuche, wenn andere Siesta halten: Die saharische Silberameise macht vor allem in der Mittagshitze der Sahara und in den Wüsten der...

Im Focus: Fraunhofer FHR zeigt kontaktlose, zerstörungsfreie Qualitätskontrolle von Kunststoffprodukten auf der K 2019

Auf der K 2019, der Weltleitmesse für die Kunststoff- und Kautschukindustrie vom 16.-23. Oktober in Düsseldorf, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR das breite Anwendungsspektrum des von ihm entwickelten Millimeterwellen-Scanners SAMMI® im Kunststoffbereich. Im Rahmen des Messeauftritts führen die Wissenschaftler die vielseitigen Möglichkeiten der Millimeterwellentechnologie zur kontaktlosen, zerstörungsfreien Prüfung von Kunststoffprodukten vor.

Millimeterwellen sind in der Lage, nicht leitende, sogenannte dielektrische Materialien zu durchdringen. Damit eigen sie sich in besonderem Maße zum Einsatz in...

Im Focus: Solving the mystery of quantum light in thin layers

A very special kind of light is emitted by tungsten diselenide layers. The reason for this has been unclear. Now an explanation has been found at TU Wien (Vienna)

It is an exotic phenomenon that nobody was able to explain for years: when energy is supplied to a thin layer of the material tungsten diselenide, it begins to...

Im Focus: Rätsel gelöst: Das Quantenleuchten dünner Schichten

Eine ganz spezielle Art von Licht wird von Wolfram-Diselenid-Schichten ausgesandt. Warum das so ist, war bisher unklar. An der TU Wien wurde nun eine Erklärung gefunden.

Es ist ein merkwürdiges Phänomen, das jahrelang niemand erklären konnte: Wenn man einer dünnen Schicht des Materials Wolfram-Diselenid Energie zuführt, dann...

Im Focus: Wie sich Reibung bei topologischen Isolatoren kontrollieren lässt

Topologische Isolatoren sind neuartige Materialien, die elektrischen Strom an der Oberfläche leiten, sich im Innern aber wie Isolatoren verhalten. Wie sie auf Reibung reagieren, haben Physiker der Universität Basel und der Technischen Universität Istanbul nun erstmals untersucht. Ihr Experiment zeigt, dass die durch Reibung erzeugt Wärme deutlich geringer ausfällt als in herkömmlichen Materialien. Dafür verantwortlich ist ein neuartiger Quantenmechanismus, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Nature Materials».

Dank ihren einzigartigen elektrischen Eigenschaften versprechen topologische Isolatoren zahlreiche Neuerungen in der Elektronik- und Computerindustrie, aber...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

VR-/AR-Technologien aus der Nische holen

18.10.2019 | Veranstaltungen

Ein Marktplatz zur digitalen Transformation

18.10.2019 | Veranstaltungen

Wenn der Mensch auf Künstliche Intelligenz trifft

17.10.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Insekten teilen den gleichen Signalweg zur dreidimensionalen Entwicklung ihres Körpers

18.10.2019 | Biowissenschaften Chemie

Volle Wertschöpfungskette in der Mikrosystemtechnik – vom Chip bis zum Prototyp

18.10.2019 | Physik Astronomie

Innovative Datenanalyse von Fraunhofer Austria

18.10.2019 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics