Gravitation

Kalte Atome im freien Fall

Von Manfred Lindinger
06.03.2022
, 18:03
Die Satelliten-Zwillinge GRACE mit dem Schwerefeld der Erde (in stark überhöhter Form) hergeleitet aus Messdaten der Satelliten CHAMP und GRACE sowie aus Daten der Gravimetrie und Satelliten-Altimetrie.
Feldforschung mit kalten Atomen: Ein empfindlicher Quantensensor kann lokal minimale Anomalien des irdischen Schwerefelds messen und so verborgene Strukturen im Untergrund aufspüren.
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Auch wenn wir es nicht spüren: Das Schwerefeld ist auf der Erdoberfläche nicht überall gleich stark. Dicke und Beschaffenheit der Erdkruste, die Gezeiten, variierende Eismassen und der Grundwasserspiegel beeinflussen das irdische Schwerefeld – global und lokal. Mit empfindlichen Instrumenten, sogenannten Gravimetern, können Geologen solche winzigen Schwankungen im Gravitationsfeld der Erde vermessen und auf deren Ursachen schließen. Sie können das Erdinnere erkunden, ohne Bohrungen vornehmen zu müssen. Allerdings sind viele Sensoren nur für stationäre Anwendungen geeignet. Ein mobiles Gravimeter, das speziell für Schwerefeldmessungen im Gelände entwickelt wurde, stellen nun Forscher von der University of Birmingham in der Zeitschrift „Nature“ vor. Es arbeitet mit extrem kalten Atomen im freien Fall.

Alle Gravimeter funktionieren nach dem gleichen Prinzip: Sie messen die Kraft, die das Schwerefeld der Erde auf eine Probemasse ausübt. Das einfachste Gravimeter ist die Federwaage, bei der die Schwerkraft an einer Masse zieht, die an einer Feder hängt. Das Instrument schlägt aus, wenn sich die Schwerkraft ändert, etwa aufgrund der Gezeiten oder infolge von Polbewegungen oder Erdbeben.

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Supraleitende Gravimeter zählen derzeit zu den empfindlichsten Sensoren. Hier hält ein Magnetfeld eine kleine supraleitende Hohlkugel in der Schwebe. Kräfte, die auf die Kugel wirken und deren Position verändern, werden durch ein Regelsystem kompensiert und das dafür nötige elektrische Signal registriert. Supraleitende Gravimeter, wie sie etwa vom Bundesamt für Kartographie und Geodäsie verwendet werden, erreichen eine hohe Messgenauigkeit. Sie können noch Schwereschwankungen von weniger als einem Milliardstel der Erdbeschleunigung nachweisen. Allerdings müssen die Geräte mit flüssigem Helium gekühlt werden. Damit eignen sie sich nur für den stationären Einsatz, etwa um den Einfluss der Gezeiten oder anderer geophysikalischer Vorgänge auf das Gravitationsfeld zu messen.

Stationäres supraleitendes Gravimeter SG-30 mit Kryostat
Stationäres supraleitendes Gravimeter SG-30 mit Kryostat Bild: BKG

Die absolute Stärke der Schwerkraft ermittelt man aus der Beschleunigung von Objekten im Gravitationsfeld. Dazu bestrahlt man zum Beispiel einen frei fallenden Spiegel mit Laserlicht. Der reflektierte Strahl überlagert sich mit dem entgegenkommenden ursprünglichen Strahl. Aus dem Interferenzmuster lässt sich die Fallstrecke des Spiegels und daraus die Erdbeschleunigung ermitteln. Solche Laserinterferometer sind jedoch weniger sensitiv als supraleitende Sensoren.

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Schwerkraft zerrt an fallende Atome

Eine etwas bessere Auflösung erreicht man, wenn man – wie die Forscher aus Birmingham – anstelle eines Spiegels eine große Zahl quantenphysikalisch überlagerter Atome frei fallen lässt. Die Teilchen, die zuvor mit Laserstrahlen gekühlt werden, katapultiert man in die Höhe und teilt sie in zwei etwa gleich große Pakete. Diese lässt man frei herabsinken. Nach dem Fall werden die beiden Atomwolken überlagert. Denn geeignet vermessen, verhalten sich die kalten Atome wie Wellen, und so beobachtet man hier ebenfalls ein Interferenzsignal, aus dem sich der Wert der Erdbeschleunigung und damit der absolute Wert der Schwerkraft ableiten lässt.

Quantengravimeter aus Birmingham
Quantengravimeter aus Birmingham Bild: University of Birmingham

Weil derartige Quantengravimeter äußerst empfindlich auf Erschütterungen und magnetische Streufelder reagieren und eines großen technischen Aufwands bedürfen, sind sie außerhalb von Laboratorien bisher nur selten zum Einsatz gekommen. Vor drei Jahren präsentierten Forscher von der University of California ein mobiles Atominterferometer, mit dem sie das Schwerefeld auf den Hügeln rund um Berkeley vermessen konnten. Anhand der Daten ließ sich die mittlere Dichte des Gesteins ermitteln, und sogar die Auswirkungen von Erdbeben, die sich während der Messungen in Südamerika ereignet hatten, waren darin zu erkennen. Jede Messung dauerte 15 Minuten.

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Ein Atominterferometer, das auch unter den raueren Bedingungen eines Feldeinsatzes zuverlässig funktioniert, ist das Ziel der britischen Forscher um Ben Stray. Ihr Messgerät besteht aus einer eineinhalb Meter hohen Vakuumröhre, in der frei fallende Rubidium­atome zur Überlagerung gebracht werden. Das 75 Kilogramm schwere Instrument, das auf einem fahrbaren Gestell fixiert ist, sei, so die Forscher, äußerst robust und somit auch für Messungen in der Stadt geeignet.

Getestet wurde das Instrument auf einer Straße zwischen zwei mehrstöckigen Gebäuden. Die Aufgabe war es, einen zwei mal zwei Meter großen Tunnel in ein Meter Tiefe zu erkunden. Das Ergebnis: Das Quantengravimeter konnte den Hohlraum tatsächlich anhand der von ihm verursachten Schwerkraftminderung aufspüren. Indem man das Gerät an verschiedenen Stellen platzierte, ließ sich der Tunnel kartieren. Die Auflösung betrug rund 0,2 Meter. Für einen Messpunkt benötigte der Sensor weniger als zwei Minuten. Größere Flächen sollten sich schnell vermessen lassen. Nun müssen die Forscher zeigen, ob ihr Gravimeter noch tiefer in die Erde blicken kann. Dann könnte es helfen, Ölfelder oder Bodenschätze aufzuspüren.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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