Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Experiment im All soll Äquivalenzprinzip mit bisher unerreichter Genauigkeit testen

09.05.2016

Französische Forscher stellen das Fallgesetz auf den Prüfstand − die PTB liefert dazu hochpräzise Testmassen

Haben sich Galilei, Newton und Einstein getäuscht? Zumindest ein kleinwenig? Dank ihnen wissen wir heute, dass schwere und träge Masse gleich sind. Im Vakuum fallen daher alle Gegenstände gleich schnell zu Boden, egal wie schwer sie sind. Diese 400 Jahre alte Entdeckung hält bisher jeder Überprüfung stand.


Mithilfe zweier in der PTB gefertigter Zylinder soll an Bord eines Satelliten überprüft werden, ob sich schwere und träge Masse unterscheiden.

PTB

Wissenschaftler bestätigen das sogenannte Äquivalenzprinzip mit einer Genauigkeit von 10-13, also bis auf ein Zehnbillionstel genau. Doch moderne physikalische Theorien, wie die String-Theorie, gehen davon aus, dass ganz weit hinter dem Komma der Beweis dafür warten könnte, dass sich träge und schwere Masse unterscheiden.

Französische Forscher wollen das Prinzip nun erneut auf die Probe stellen – mit tatkräftiger Unterstützung durch den Fachbereich „Wissenschaftlicher Gerätebau“ der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Dort entstanden zwei mikrometergenau hergestellte Hohlzylinderpaare, die seit dem 25. April 2016 im Rahmen des MICROSCOPE-Projektes in einem Satelliten um die Erde kreisen. Das Fallgesetz soll damit mit bisher unerreichter Genauigkeit getestet werden.

Hält man einen Gegenstand in der Hand, spürt man, wie dieser nach unten drückt. Die Erdanziehungskraft zieht ihn zum Boden. Öffnet man die Hand, fällt er – dafür sorgt die sogenannte schwere Masse. Würden wir gemeinsam mit dem Gegenstand fallen, würden wir die Schwerkraft nicht mehr spüren. Dabei wirkt sie immer noch. Allerdings wird sie durch eine entgegengesetzt wirkende Kraft aufgehoben: die Trägheitskraft. Diese widersetzt sich der Beschleunigung. Warum sich schwere und träge Masse gegenseitig genau aufheben, ist noch immer ein Rätsel.

Einige Forscher glauben daher, dass das Fallgesetz nicht stimmen kann. Die String-Theorie sagt beim Äquivalenzprinzip eine Unsicherheit im Bereich von 10-14 bis 10-17 voraus. Durch das MICROSCOPE-Projekt könnte die Physik in diese Bereiche vorstoßen. Es soll eine Messgenauigkeit von bis zu 10-15 ermöglichen. Das wäre auf der Erde nicht messbar.

Denn dort lässt sich der freie Fall im luftleeren Raum nicht lange genug simulieren. Anders sieht es im Weltraum aus: An Bord eines Satelliten „fallen“ die Zylinder (Testmassen) in den kommenden zwei Jahren auf einer sonnensynchronen Umlaufbahn in etwa 700 Kilometer Höhe um die Erde. Dabei wird sich zeigen, ob eine der Testmassen eine andere Beschleunigung erfährt.

Damit das gelingen kann, müssen die Testobjekte die gleiche Form haben. „Wir haben zwei ineinander gelagerte Zylinder gewählt, da diese den gleichen Schwerpunkt haben“, erklärt Dr. Daniel Hagedorn, Leiter der Arbeitsgruppe für Oberflächentechnologie in der PTB. Beim ersten Zylinderpaar bestehen die Massen aus dem gleichen Material: Platin-Rhodium (PtRh10). Beim zweiten Zylinderpaar besteht der äußere Zylinder aus einer Titan-Legierung (TiAl6V4), einem aus dem Flugzeugbau bekannten Material. Der innere Zylinder besteht wie das erste Zylinderpaar aus Platin-Rhodium.

„Wenn wir einen Unterschied in der Beschleunigung sehen, dann bei dem uneinheitlichen Zylinderpaar“, sagt Hagedorn. Gemessen würde dann die Verschiebung des Schwerpunkts der Zylinder. Das einheitliche Paar dient zur Kontrolle. Sollten beide etwas anzeigen, liegt es an den Instrumenten. Damit das Experiment gelingt, müssen die Testmassen immer gleich im Raum ausgerichtet sein. Für die richtige Bahn und den richtigen Winkel sorgt der Satellit. Elektrostatische Kraftfelder stützen die Zylinder.

Die Zylinder exakt gleich anzufertigen, war die größte Herausforderung für die Braunschweiger Gerätebauer. Mehr als fünf Jahre haben sie daran gemessen und gearbeitet. „Das war ein wahnsinnig komplexer Prozess“, sagt Hagedorn. Um die Oberflächen zu perfektionieren, mussten die Drehgeschwindigkeit, die Menge des Kühlschmiermittels, die Art und Form des Diamanten zum Schneiden, der Verschleiß der Werkzeuge und vieles mehr erst einmal erprobt werden. Denn an die benötigte Genauigkeit von weniger als drei Mikrometer hat sich bisher noch niemand herangetraut.

„Wir waren mutig genug, das zu probieren“, sagt Hagedorn. Mit Erfolg: Bei der Form gelang eine Genauigkeit von etwa einem Mikrometer. Die durchschnittliche Rauheit der Oberfläche liegt im Bereich von wenigen zehn Nanometern.

Finanziert wird dieses Unterfangen zu 90 Prozent von der französischen Raumfahrtagentur CNES. Für die Forschung sind die Einrichtungen ONERA (Office national d’études et de recherches aérospatiales) und OCA (Observatoire de la Côte d’Azur) verantwortlich. Neben der PTB unterstützt auch das Zentrum für Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) in Bremen das Projekt. Dort wurde getestet, ob die Zylinder für das Experiment in der Schwerelosigkeit geeignet sind.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt beteiligte sich dabei an der Finanzierung. Zwei Jahre werden die Testmassen im Orbit kreisen – und dabei die Erde mehr als 1000 Mal umrunden. Ob die dabei entstehenden Daten das Verständnis von Raum und Zeit durcheinander bringen, bleibt abzuwarten. ms/ptb

Ansprechpartner in der PTB
Dr. Daniel Hagedorn, PTB-Arbeitsgruppenleiter 5.54 Oberflächentechnologie, Telefon: (0531) 592-5540, E-Mail: daniel.hagedorn@ptb.de

Weitere Informationen
• MICROSCOPE-Projekt https://microscope.cnes.fr/en/MICROSCOPE/index.htm
• Pressefotos zum Download http://cnes.photonpro.net/cnes/categories/654

Weitere Informationen:

http://www.ptb.de/cms/presseaktuelles/journalisten/presseinformationen/presseinf...

Michael Schnatz | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Rasende Elektronen unter Kontrolle
16.11.2018 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

nachricht Kometen als Wasserträger für Exoplaneten
15.11.2018 | Universität Wien

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: Rasende Elektronen unter Kontrolle

Die Elektronik zukünftig über Lichtwellen kontrollieren statt Spannungssignalen: Das ist das Ziel von Physikern weltweit. Der Vorteil: Elektromagnetische Wellen des Licht schwingen mit Petahertz-Frequenz. Damit könnten zukünftige Computer eine Million Mal schneller sein als die heutige Generation. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sind diesem Ziel nun einen Schritt nähergekommen: Ihnen ist es gelungen, Elektronen in Graphen mit ultrakurzen Laserpulsen präzise zu steuern.

Eine Stromregelung in der Elektronik, die millionenfach schneller ist als heutzutage: Davon träumen viele. Schließlich ist die Stromregelung eine der...

Im Focus: UNH scientists help provide first-ever views of elusive energy explosion

Researchers at the University of New Hampshire have captured a difficult-to-view singular event involving "magnetic reconnection"--the process by which sparse particles and energy around Earth collide producing a quick but mighty explosion--in the Earth's magnetotail, the magnetic environment that trails behind the planet.

Magnetic reconnection has remained a bit of a mystery to scientists. They know it exists and have documented the effects that the energy explosions can...

Im Focus: Eine kalte Supererde in unserer Nachbarschaft

Der sechs Lichtjahre entfernte Barnards Stern beherbergt einen Exoplaneten

Einer internationalen Gruppe von Astronomen unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg ist es gelungen, beim nur sechs Lichtjahre...

Im Focus: Mit Gold Krankheiten aufspüren

Röntgenfluoreszenz könnte neue Diagnosemöglichkeiten in der Medizin eröffnen

Ein Präzisions-Röntgenverfahren soll Krebs früher erkennen sowie die Entwicklung und Kontrolle von Medikamenten verbessern können. Wie ein Forschungsteam unter...

Im Focus: Ein Chip mit echten Blutgefäßen

An der TU Wien wurden Bio-Chips entwickelt, in denen man Gewebe herstellen und untersuchen kann. Die Stoffzufuhr lässt sich dabei sehr präzise dosieren.

Menschliche Zellen in der Petrischale zu vermehren, ist heute keine große Herausforderung mehr. Künstliches Gewebe herzustellen, durchzogen von feinen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Kalikokrebse: Erste Fachtagung zu hochinvasiver Tierart

16.11.2018 | Veranstaltungen

Können Roboter im Alter Spaß machen?

14.11.2018 | Veranstaltungen

Tagung informiert über künstliche Intelligenz

13.11.2018 | Veranstaltungen

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

Mikroplastik in Kosmetik

16.11.2018 | Studien Analysen

Neue Materialien – Wie Polymerpelze selbstorganisiert wachsen

16.11.2018 | Materialwissenschaften

Anomale Kristalle: ein Schlüssel zu atomaren Strukturen von Schmelzen im Erdinneren

16.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

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