Faszination Technik Nur eine Sekunde in 30 Millionen Jahren

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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)

FAST LTA GmbH

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: eine Laseruhr, die hundertmal genauer ist als heutige Satellitenuhren.

Eine neue Laseruhr des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat einen Spitzenwert an Genauigkeit für optische Uhren mit Gaszellen erzielt: In 30 Millionen Jahren ginge sie nur eine Sekunde falsch. Die Quanteneigenschaften von Jodmolekülen geben den Takt der Laseruhr vor.

Zeit ist nicht gleich Zeit

Auf die Frage, was ist Zeit, sagte Albert Einstein einmal: „Zeit ist, was man an der Uhr abliest.“ Es kommt auf die Genauigkeit der Uhr an. Wie gut Satellitennavigation, Internet, Erdbeobachtung oder Finanzwesen funktionieren, hängt auch davon ab, wie exakt die notwendigen Zeitangaben bei der Datenübertragung sind. Satellitenuhren liefern Zeitsignale, mit denen sich beispielsweise Positionen auf der Erde bestimmen lassen oder Kommunikationsnetze synchronisiert werden.

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Weltraumtaugliche Laseruhren können künftig genauere Zeitinformationen liefern, um Satellitendienste für Kommunikation und Navigation effizienter und präziser zu machen. Laseroptische Uhren sind aufgrund ihrer höheren Taktfrequenz rund hundertmal genauer als aktuelle Satellitenuhren auf Mikrowellenbasis.

Laseruhr erzielt Spitzenwert

Mit seiner führenden Expertise für Quantentechnologien in der Raumfahrt hat das DLR im Projekt Compasso die hochpräzise Laseruhr entwickelt. „Sie weicht weniger als 100 Pikosekunden pro Tag von der sogenannten Weltzeit ab. Eine Pikosekunde ist der Millionste Teil einer Millionstel Sekunde. Diese Abweichung entspricht einer Sekunde auf 30 Millionen Jahre“, erklärt Prof. Claus Braxmaier vom DLR-Institut für Quantentechnologien in Ulm. „Wir schließen damit die Lücke zwischen der Genauigkeit von konventionellen Satellitenuhren und den großen, schweren High-End-Atomuhren, die in nationalen Metrologie-Instituten unsere Weltzeit festlegen.“

Quantenphysik gibt Takt vor

Den Takt der Laseruhr gibt die Quantenphysik vor. Dazu wird die Wellenlänge eines Lasers auf eine bestimmte Schwingung von Jodmolekülen in einer Gaszelle abgestimmt. Der Takt dieser Schwingung hängt nur von den quantenmechanischen Eigenschaften des Jods ab. Mit dieser geräteunabhängigen Referenz lässt sich die hohe Genauigkeit der optischen Uhr erreichen.

Im Uhrenlabor des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation haben die DLR-Forscher die Laseruhr bis zur aktuellen Genauigkeit weiterentwickelt und mit einer anderen Präzisionsuhr verglichen, einem sogenannten Wasserstoff-Maser. Dies ist eine Art Laser im Mikrowellenbereich. „Durch Überlagern der Zeitsignale beider Uhren können wir wie mit einer Stoppuhr die einzelnen Takte der Laseruhr zählen. Diese folgen mit einer Frequenz von 10 Megahertz aufeinander, das sind 10 Millionen Takte pro Sekunde“, erläutert Claus Braxmaier. „So konnten wir die sowohl die Ganggenauigkeit als auch die Präzision unserer Laseruhr bestimmen. Je präziser eine Uhr ist, desto gleichmäßiger ist ihr Takt. Die Ganggenauigkeit gibt an, wie weit ihr Takt nach einer bestimmten Zeit vom Sollwert abweicht.“

Die Laseruhr wird ab 2027 auf der Internationalen Raumstation ISS für den Einsatz optischer Uhren auf Satelliten erprobt.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal konstruktionspraxis erschienen.

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