Genauigkeitsrekord bei Laser-Entfernungsmessung

Forscher am amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) haben ein Laser-Entfernungsmesssystem (light detection and ranging, LIDAR) entwickelt, das eine Nanometer-Genauigkeit auf Entfernungen von bis zu 100 Kilometern verspricht.

Dazu kombiniert das System zwei unterschiedliche Messansätze, um die jeweiligen Vorteile auszunutzen. Das neuartige LIDAR kann die Entfernung zu mehreren Objekten gleichzeitig messen und ist den Wissenschaftlern zufolge dazu geeignet, mit einer Gruppe von Satelliten eine präzise Formation aufrechtzuerhalten. Das wiederum könnte beispielsweise die Suche nach Planeten außerhalb unseres Sonnensystems vorantreiben.

Das NIST-System ist in der Lage, Entfernungsbestimmungen zu mehreren Zielen im 200-Mikrosekunden-Rhythmus durchzuführen und das mit extrem hoher Genauigkeit. Die einzigartige Kombination von Fähigkeiten könnte es mehreren Satelliten erlauben, eine genaue Gruppierung und Orientierung beim präzisen Formationsflug einzuhalten, so die Forscher. Dadurch wird es möglich, die Satelliten praktisch als ein Beobachtungsgerät höchster Genauigkeit zu nutzen. Solche Systeme könnten beispielsweise Jagd auf Planeten in anderen Sternsystemen machen oder auch Experimente zur Allgemeinen Relativitätstheorie unterstützen. Die Kombination einer Reihe von Röntgen-Teleskop-Satelliten wiederum lässt auf die Abbildung von Schwarzen Löchern hoffen. Das NIST-LIDAR könnte aber laut Projektleiter Nate Newbury auch Anwendung im Bereich der automatisierten Fertigung finden, wo viele Teile mit hoher Genauigkeit zusammenpassen müssen.

Bei LIDAR wird die Messung reflektierter Lichtsignale genutzt, um Entfernungen zu bestimmen. Bei großen Distanzen zwischen Messgerät und Ziel kommt es allerdings zu einer Mehrdeutigkeit – nicht nur eine Entfernung entspricht den Ergebnissen. Die möglichen Distanzen unterscheiden sich um ein Vielfaches eines bestimmten Werts. Dieser ist dem NIST zufolge beim neuen System mit wenigstens 1,5 Metern aber groß genug, dass eine zusätzliche grobe Abstandsbestimmung mit anderen Technologien wie etwa GPS das Mehrdeutigkeitsproblem löst. Dann kann das NIST-LIDAR ein letztendlich extrem genaues Ergebnis liefern. Um all das zu erreichen, haben die Forscher zwei LIDAR-Messansätze in ihrem System kombiniert. Die „Time-of-Flight“-Methode schätzt die Entfernung aufgrund von Signallaufzeit und Lichtgeschwindigkeit ab und liefert eine eher grobe Mehrdeutigkeit. Die interferometrische Methode wiederum liefert höchst präzise Ergebnisse.

LIDAR ist grundsätzlich nicht nur für Entfernungsmessungen geeignet. „Wir entwickeln LIDAR-Systeme zur Messung von atmosphärischen Parametern – etwa Luftfeuchte, Temperatur und die Detektion von Aerosolen – und setzen diese Geräte in Feldmesskampagnen ein“, erklärt Andreas Behrendt, Leiter der Arbeitsgruppe Fernerkundung am Institut für Physik und Meteorologie der Universität Hohenheim https://www120.uni-hohenheim.de , gegenüber pressetext. Das NIST-System erscheine allerdings primär für Aufgaben wie die Positionierung und Ausrichtung von Satelliten interessant. „Für atmosphärische Anwendungen sehe ich keinen Nutzen – hier sind wir mit den bereits erreichten Auflösungen im Bereich von ein bis zehn Metern mehr als zufrieden“, sagt der Wissenschaftler. Entfernungsbestimmungen seien für die Hohenheimer Forscher nicht so wichtig wie genauere Messungen einzelner Parameter.