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Published by , 2018-12-13 07:10:23

035-129_UnimagazinHannover_2018-3+4_200

035-129_UnimagazinHannover_2018-3+4_200

Forschungsmagazin der Leibniz Universität Hannover
Ausgabe 03|04 • 2018

HITec Das Hannover Institute of Technology

Ein transdisziplinäres Zentrum für Quanten-Engineering

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UNIMAGAZIN • AUSGABE 3|4–2018 LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

Editorial

LIEBE LESERIN, LIEBER LESER,

von der ersten Idee an hat es In den neuen Laboren können Das neue Unimagazin bietet ei­ Viel Freude beim Lesen
neun Jahre lang gedauert, bis bis zu 120 Forschende aus den nen Einblick in die Entstehung wünscht Ihnen
das Hannover Institute of Bereichen Geodäsie, Physik des HITec und die spannenden
Technology (HITec) in diesem und Ingenieurswissenschaf­ Forschungsfelder, die dort bear­ Prof. Dr. Volker Epping
Juli eröffnet werden konnte. ten aus drei Forschungsrich­ beitet werden: Einleitend be­ Präsident der
In dem Spezialbau an der tungen unter einem Dach ar­ schreibt der Geschäftsführer Leibniz Universität Hannover
Callinstraße, der sich durch beiten: den Entstehungsprozess und
eine extrem gute Vibrations­ den Bau des HITec, anschlie­
und Temperaturstabilität Quantentechnologien: ßend stehen die drei genannten
auszeichnet, sind vor allem Erforschung grundlegen­ Großgeräte im Mittelpunkt. Wie
Labore untergebracht, die sich der quantenphysikalischer sich Geodäsie und Quantenphy­
besonders für Präzisionsex­ Phänomene und deren sik miteinander verbinden und
perimente auf dem Quanten­ Manipulation so die Entwicklung von Multi­
niveau eignen. Zudem beher­ Optische Technologien: Sensor­Systemen (MSS) voran­
bergt das HITec drei Großge­ Die durch neuartige Quan­ treiben, ist ein weiteres Thema
räte, die in ihrer Kombination tentechnologien ermöglich­ im Heft. Wissenschaftlerinnen
weltweit einmalig sind: Von te Entwicklung geeigneter und Wissenschaftler berichten
außen sichtbar ist das wohl Sensorkonzepte und Tech­ zudem darüber, wie vom Welt­
auffälligste Merkmal der soge­ nologieplattformen raum aus das Erdschwerefeld
nannte Einstein­Elevator – ein Entwicklung und Einsatz vermessen werden kann. Mitar­
Fallturm der neuen Generati­ von Quantensensoren: beiter des Sonderforschungsbe­
on, in dem Experimente mit Erprobung und Fertigung reichs »Relativistische Geodäsie
hoher Wiederholrate unter Be­ neuartiger Quantensen­ und Gravimetrie« erläutern, wie
dingungen der Schwerelosig­ soren zum Einsatz im La­ neue Beobachtungsverfahren
keit durchgeführt werden bor, in terrestrischen Kam­ und Instrumente für geodäti­
können. Eine weitere Beson­ pagnen und in Weltraum­ sche Anwendungen in den
derheit stellt eine Faserziehan­ missionen HITec­Laboren entwickelt wer­
lage dar, die die Entwicklung den, um die Massenvariationen
und Herstellung von Glasfa­ Alle drei Forschungsgebiete der Erde zu beobachten. Des
sern beispielsweise für welt­ fügen sich eng in die Kern­ Weiteren zeigen die Forschen­
raumtaugliche Anwendungen themen der beiden von Bund den optische Uhren in der An­
ermöglicht. Das dritte Groß­ und Länder geförderten Ex­ wendung und erläutern, wie
gerät ist eine sogenannte zellenzcluster der Leibniz verschränkte Atome Präzisions­
Atomfontäne, der VLBAI – Universität ein: Quantum­ messungen verbessern können.
Very Long Baseline Atom In­ Frontiers (Grundlagenfor­ Abschließend wird eine For­
terferometry, mit dessen Hilfe schung mit Licht und Materie schungslinie der Wissenschafts­
hochpräzise Messtechnolo­ an der Quantengrenze) und allianz Braunschweig – Hanno­
gien auf Basis von Materie­ PhoenixD (interdisziplinäre ver sowie der Sonderfor­
wellen erforscht, getestet und Verschmelzung von Photonik, schungsbereich 1227 DQ­mat
entwickelt werden. Optik und Ingenieurwesen). vorgestellt.

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2

UNIMAGAZIN • AUSGABE 3|4–2018 IMPRESSUM • INHALTSVERZEICHNIS

HITec

DAS HANNOVER INSTITUTE OF TECHNOLOGY (HITEC) –
EIN TRANSDISZIPLINÄRES ZENTRUM FÜR QUANTEN-ENGINEERING

Unimagazin Alexander Wanner | Wolfgang Ertmer | Harald Schnatz | Anna-Greta Paschke |
Forschungsmagazin der Leibniz Tobias Froböse Piet O� Schmidt
Universität Hannover • ISSN 1616-4075 Institut für Quantenoptik, Quest Leibniz Institut für Quantenoptik, Physikalisch-
Forschungsschule Technische Bundesanstalt (PTB) Braunschweig
Herausgeber 6 ���� Das Hannover Institute of Technology 36 ���� Ultragenaue Taktgeber:
Das Präsidium der Leibniz Universität (HITec) der Leibniz Universität Optische Uhren in der Anwendung
Hannover Ideale Bedingungen für Spitzenforschung
Carsten Klempt | Wolfgang Ertmer
Redaktion Ernst Rasel | Dennis Schlippert | Institut für Quantenoptik
Monika Wegener (Leitung), Étienne Wodey 40 ���� Spukhafte Fernwirkung zwischen
Dr. Anette Schröder Institut für Quantenoptik kalten Atomen
10 ���� Der VLBAI-Teststand Wie verschränkte Atome Präzisions­
Ein Fallturm für Atome messungen verbessern

Anschrift der Redaktion Ludger Overmeyer | Sebastian Lazar | Matthias Weigelt | Jürgen Müller |
Leibniz Universität Hannover Christoph Lotz Karsten Danzmann | Fumiko Kawazoe
Alumnibüro Institut für Transport- und Institut für Erdmessung, Institut für
Welfengarten 1 Automatisierungstechnik Gravitationsphysik
D–30167 Hannover 14 ���� Der Einstein-Elevator 44 ���� Die Vermessung der Erde:

Anzeigenverwaltung / Herstellung Der weltweit erste Fallturm neuer Neue Methoden zur Beobachtung von
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Telefax: 06206 939-232 Matthias Ließmann Andreas Waag | Thorben Dammeyer
Internet: www.alphapublic.de Institut für Quantenoptik Institut für Quantenoptik, Institut für
20 ���� Mehr als nur Lichtleitung Halbleitertechnik der TU Braunschweig,
Titelabbildung Innovative Glasfaserherstellung am HITEC Institut für Mikobiologie der TU Braunschweig
Leibniz Universität Hannover, 48 ���� QUANOMET
Michael Matthey Ludger Timmen | Tobias Kersten | Jürgen Eine Forschungslinie der strategischen
Müller | Manuel Schilling | Steffen Schön | Allianz Braunschweig – Hannover
Das Forschungsmagazin Unimagazin Jens-André Paffenholz | Ingo Neumann
erscheint zweimal im Jahr. Nachdruck Institut für Erdmessung, Geodätisches Institut Alexander Wanner | Klemens Hammerer |
einzelner Artikel, auch auszugsweise, 24 ���� Das HITec als Herzstück Piet O� Schmidt
nur mit Genehmigung der Redaktion. Geodäsie und Quantenphysik verbinden sich Institut für Quantenoptik, Institut für
Für den Inhalt der Beiträge sind die Theoretische Physik, Quest Leibniz
jeweiligen Autoren verantwortlich. Moritz Mehmet | Oliver Gerberding | Forschungsschule
Vitali Müller | Vitus Händchen | 52 ���� Sonderforschungsbereich 1227 DQ-mat:
Katharina-Sophie Isleif Designte Quantenzustände und deren
Zentrum für Gravitationsphysik, Anwendung in der Grundlagenforschung
Albert-Einstein-Institut
30 ���� Vom All aus: 56 ���� Personalia und Preise
Ein weltraumbasierte Laserinterferometer
vermisst das Erdschwerefeld

3

Wir danken unseren
Förderinnen und Förderern:

Albert-Ludwig-Fraas-Stiftung | BRANDI Bielefeld GbR I Bundesdruckerei GmbH I
Christian-Kuhlemann-Stiftung I Cray-Stiftung I Deloitte Consulting GmbH I Dirk Rossmann
GmbH I Dr. Friedrich-Lehner-Stiftung I DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH I d-fine GmbH I
Ed. Züblin AG I enercity AG I ExxonMobil Production Deutschland GmbH I FERCHAU
Engineering GmbH I Förderverein Soroptimist Club Hannover e.V. I Freunde der Herrenhäuser
Gärten e.V. I Gebrüder Heyl Analysentechnik GmbH & Co. KG I Hannoversche Volksbank eG I
Hans Dederding GmbH I HARTING Stiftung & Co. KG I Kjellberg-Stiftung I Lenze SE I Magrathea
Informatik GmbH I Mecklenburgische Versicherungs-Gesellschaft a. G. I MTU Maintenance
Hannover GmbH I NORD/LB Norddeutsche Landesbank I OSB AG I Phoenix Contact GmbH &
Co. KG I Rheinmetall AG I Sartorius Corporate Administration GmbH I Sparkasse Hannover I
Talanx AG I TRANSNORM System GmbH I TÜV NORD GROUP I Verein Haus Schleswig-Holstein e.V. I
VGH Versicherungen - Landschaftliche Brandkasse Hannover I VHV Stiftung I Viscom AG I
Volkswagen AG, Volkswagen Nutzfahrzeuge I Nil und Torhan Berke I Dr. h. c. Edelgard Bulmahn I
Prof. Dr. Michael Breitner I Nina Dieckmann I Wilhelm Lindenberg I Prof. Dr. Rainer Parchmann I
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HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

Das Hannover Institute of Technology (HITec)
der Leibniz Universität

IDEALE BEDINGUNGEN FÜR SPITZENFORSCHUNG

Im 21. Jahrhundert spielt die 1
Beobachtung von Verände­
Mit dem Hannover Institute of rungsprozessen auf der Erde Forschungsschule (QUEST­LFS). durch Sondermittel des Landes
Technology (HITec) ist im Juli vom Weltraum aus eine immer Im HITec werden künftig Niedersachsen gefördert. Für
2018 ein weltweit einmaliges größere Rolle. Um solche Pro­ grundlegende Fragestellungen letztere sind die Sonderpro­
Forschungszentrum in Betrieb zesse, die sich typischerweise der Physik untersucht, so zum gramme »FPM – Foundations of
gegangen. Unter Beteiligung über längere Zeiträume erstre­ Beispiel »Sind die Naturkons­ Physics and Metrology« zur För­
cken, immer besser zu verste­ tanten wirklich konstant?«. Zu­ derung der Spitzenforschung
der Fachgebiete Physik, hen, einordnen zu können und dem sollen für die Beobach­ in Niedersachen und »QUA­
Geodäsie und Ingenieurwissen­ letztlich auch zu dokumentie­ tung von Umweltprozessen NOMET – Quantum­ and Na­
ren, bedarf es einer zuverlässi­ neuartige Sensoren und Me­ nometrology« der Wissen­
schaften soll hier Grund­ gen Datenbasis. Dazu werden thoden entwickelt werden, um schaftsallianz der Technischen
lagenforschung, angewandte sehr präzise Messtechniken sowohl lokale wie globale Mas­ Universität Braunschweig und
Forschung sowie Technologie­ benötigt, die trotz des widri­ senveränderungen, zum Bei­ der Leibniz Universität Hanno­
entwicklung betrieben werden. gen Umfeldes zuverlässig spiel Eismassenverlust durch ver zu nennen. Zusätzlich sind
Der Technische Leiter und der funktionieren müssen. Hier Folgen der Klimaerwärmung, QUEST­LFS Forschende an den
bietet der gezielte Einsatz von mit bislang unerreichbarer Cluster­Anträgen Quantum-
Geschäftsführer des Quantensensoren, neben in­ Qualität zu erfassen. Frontiers und PhoenixD der
HITec haben den Entstehungs­ novativen photonischen und Leibniz Universität Hannover
optischen Technologien völlig Die Forschung der QUEST­LFS, im Rahmen der Exzellenzstra­
prozess begleitet. neue Perspektiven. die aus QUEST hervorgegan­ tegie des Bundes und der Län­
gen ist, wurde beziehungswei­ der beteiligt.
Diesen Zielen widmete sich se wird durch Drittmittel der
auch der Exzellenzcluster beteiligten Institute, zwei Son­ Am HITec arbeiten Forsche­
QUEST (Centre for Quantum derforschungsbereiche (»geo-Q rinnen und Forscher aus der
Engineering and Space­Time – Relativistic Geodesy and Gravi- Physik, der Geodäsie und den
Research) der von 2007 bis 2012 metry with Quantum Sensors« Ingenieurswissenschaften zu­
an der Leibniz Universität und »DQ-mat – Designed Quan- sammen. Aufgrund dieser In­
Hannover im Rahmen der Ex­ tum States of Matter«) sowie terdisziplinarität der For­
zellenzinitiative gefördert wor­
den ist. Sein Schwerpunkt war
das Quantenengineering und
die Raum­Zeit­Forschung und
folgerichtig ist hier auch der
Grundstein für HITec, das
Hannover Institute of Techno­
logy, gelegt worden (siehe Abbil-
dung 1). Seit Juli 2018 steht das
neue Forschungsgebäude den
Nutzern zur Verfügung und
bildet das infrastrukturelle
Rückgrat für zukünftige inter­
disziplinäre Spitzenforschung
an der Leibniz Universität
Hannover für den genannten
Wissenschaftsbereich unter
dem Dach der QUEST Leibniz­

6

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

schung war für das HITec ein für zukünftige HITec­Service­ Quantenniveau beziehungs­
Standort wichtig, der nicht bereiche saniert wurde und ein weise am Quantenlimit zu er­
weit von den beteiligten Insti­ damit verbundener Neubau. möglichen, mussten bei der
tutionen entfernt ist. Dieser Der Neubau besteht aus­ Planung und Ausführung des
wurde an der Callinstraße in schließlich aus Laboren und ist HITec besondere Anforderun­
der Nähe der Hauptmensa vor mit einer Grundfläche von gen erfüllt werden: Zum einen
dem Hochhaus Appelstraße 1500 Quadratmetern für 100 eine optimale Schwingungs­
(siehe Abbildung 2) gefunden. bis 120 Forschende ausgelegt. isolierung der Räume und
Mit der Planung für das HITec Er verfügt über zwei Reinräu­ eine hohe Steifigkeit des Ge­
wurde Ende 2011 begonnen. me und 24 hochwertige Laser­ samtgebäudes sowie zum an­
Nach einer sehr langen Pla­ labore. Ebenso gehören zum deren eine extrem hohe
nungsphase aufgrund der ho­ Gesamtumfang des HITec Temperaturstabilität inner­
hen Komplexität des Gebäu­ auch drei Großgeräte. Dazu halb der Labore.
zählen eine Faserziehanlage
2 Erreicht wird die extrem gute
zur Herstellung weltraumtaug­ Schwingungsisolierung unter
des, die sich aus den hohen licher aktiver Glasfasern, ein anderem dadurch, dass der
Anforderungen an die Labore Very Long Baseline Atom In­ gesamte Laborbau in drei Ge­
und im HITec integrierte grö­ terferometer (VLBAI) und der bäudeteile untergliedert ist
ßere Infrastrukturprojekte er­ Einstein­Elevator zur Durch­ (siehe Abbildung 3). Diese drei
geben, wurde im September führung von Versuchen unter Gebäudeteile sind durch Deh­
2014 mit dem Bau begonnen. verschiedenen Gravitationsbe­ nungsfugen baulich voneinan­
Dieser erstreckte sich bis zur dingungen inklusive Schwere­ der getrennt. Ebenso wurde
Übergabe an die Leibniz Uni­ losigkeit. Diese Großgeräte bei allen Installationen, die
versität Ende Mai 2018. werden separat beschrieben. die einzelnen Gebäudeteile
Das HITec umfasst zwei Ge­ Um optimale Bedingungen miteinander verbinden, auf
bäude: ein Bestandsgebäude, für die Forschung auf dem eine entsprechende Entkopp­
welches als Bürogebäude und lung geachtet. Zu den Gebäu­
deteilen zählt neben dem
Labortrakt der Techniktrakt,
in dem die zentralen Lüf­
tungsanlagen, die Kälteerzeu­
gung und auch der Lastenauf­
zug untergebracht sind. Der
Gebäudeteil des Einstein­Ele­
vators beinhaltet das Großge­
rät sowie die zugehörige Ver­
suchsvorbereitung und den
Kontrollraum.

Der Laborteil (siehe Abbildung 4)
gliedert sich in zwei Labor­
spangen, die im Inneren des
Gebäudes Rücken an Rücken
liegen. Das Fehlen von Fens­
tern und Tageslicht ist hier ge­
wollt, da es sich bei den HITec
Laboren ausnahmslos um

34

7

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

5 wird die Steifigkeit durch ex­ eine Temperaturkonstanz von
tra große Unterzüge sicherge­ +/­ 0,1 Kelvin erreicht. Um eine
Räume handelt, die in ihrer stellt. Diese weisen bei einer optimale Zusammenarbeit der
Ausstattungsqualität als Raumhöhe von zumeist 5 Me­ verschiedenen Arbeitsgrup­
Quantenoptik und Laserlabo­ tern eine Höhe von 1,5 Metern pen zu erreichen, ist ein opti­
re geeignet sind. Die Labor­ auf. maler Austausch von Daten
spangen sind umgeben von oder Signalen sehr wichtig.
einem großzügigen Flur mit Das zweite Hauptmerkmal Aus diesem Grund wurde das
großen Fenstern. Durch die des HITec, die hohe Tempera­ HITec mit einem Experimen­
Entkopplung des Estrichs der turstabilität, wird durch ent­ tiernetzwerk ausgestattet. Die­
Flure wird kein Trittschall in sprechende Klimageräte mit ses Netzwerk besteht aus ver­
die Labore übertragen. Zwi­ einer sehr ausgeklügelten Re­ schiedenen Datenkabeln und
schen den beiden Laborspan­ gelung erreicht. Dazu wird optischen Datenleitungen, die
gen befindet sich der soge­ über eine zentrale Zuluftanlage sternförmig von einem zentra­
nannte »Backbone«, also das die Außenluft zunächst auf­ len »Zeit­Labor« aus im Ge­
Rückgrat des Gebäudes. Der bereitet, also auf eine Grund­ bäude verlegt worden sind.
Boden des »Backbones«, der temperatur gebracht und ge­ Dadurch ist es möglich, ver­
aus Betonfertigteilen und filtert. Diese wird im Gebäude schiedene Labore für einen
Gitterrosten besteht, ist auf auf einzelne Zonennachbe­ Daten­ oder Signalaustausch
Elastomer­Lagern aufgelegt. handlungsgeräte verteilt. Von miteinander zu verbinden.
So werden keine Schwingun­ diesen Geräten ist für jedes Ebenfalls können so Signale
gen vom »Backbone« in die Labor mindestens eins vor­ zentral für alle verteilt wer­
Labore übertragen. Der Back­ handen. Mit ihrer Hilfe wird den. Dazu zählen zum Bei­
bone ist zu einem großen Teil die Luft aus der Zentrale auf spiel ein 10 MHz­ und 100
mit Gebäudetechnik belegt. die Anforderungen im Labor MHz­Zeitsignal zur Synchro­
geregelt. Der gesammelten nisation verschiedener Ver­
Zusätzlich gibt es hier Nutzer­ Abluft wird durch eine spezi­ suche. Alle Leitungen des
bereiche für jedes einzelne La­ elle Vorrichtung am Ende Experimentiernetzwerkes
bor. In diesen Bereichen kön­ Restenergie entzogen. Diese liegen in einem speziell ge­
nen Geräte aufgestellt werden, Energie wird für die Aufbe­ schirmten Kanal und werden
die in den Laboren durch Ge­ reitung der Frischluft wieder­ aus klimatischen Gründen
räuschentwicklung, Vibratio­ verwendet. Auf diese Weise durch die Labore geführt.
nen oder Wärmeentwicklung arbeitet das Gesamtsystem
stören würden. Durch vorhan­ sehr effizient. Neben diesen speziellen Ein­
dene Wanddurchbrüche kann richtungen bietet das HITec
der Anschluss an die Labore Mit Hilfe dieses hocheffizien­ den Forschenden eine sehr
geschaffen werden (siehe ten Systems wird eine Tempe­ gute allgemeine infrastruktu­
Abbildung 5). raturkonstanz von +/­ 1 Kelvin relle Ausstattung. Dazu ge­
in den Laboren erreicht. In ei­ hört eine ausreichende Ener­
Ein weiteres wichtiges Element nigen Laboren, in denen die gieversorgung, die zum Teil
zur Herstellung der Schwin­ Anforderungen an die Tem­ unterbrechungsfrei eingerich­
gungsfreiheit stellt der Bau­ peraturstabilität noch höher tet ist. Ebenso wird jedes
körper selbst dar. So steht das sind, wird mithilfe von Lami­ Labor mit technischen Gasen
HITec auf einem extra dicken nar­Flow­Einheiten lokal über (Argon; Stickstoff; Helium),
Fundament, das zum Teil bis den optischen Tischen sogar Kühlwasser zur Maschinen­
zu 100 cm stark ist. In den kühlung und sehr reiner öl­
oberen Ebenen des Gebäudes und wasserfreier Druckluft
versorgt.

Somit bietet das HITec den
Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftlern eine ideale
zukunftssichere Infrastruktur
und eine optimale Umgebung
zur gemeinsamen Forschung.

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HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

Prof. Dr. Wolfgang Ertmer Dr.­Ing. Tobias Froböse Dr. Alexander Wanner
Jahrgang 1949, ist seit 1994 Jahrgang 1979, hat 2017 am Jahrgang 1978, hat 2013 am
Professor für Physik an der Institut für Transport- und Institut für Gravitationsphysik
Leibniz Universität Hannover. Automatisierungstechnik im in Technischer Physik promo-
Von 1997 bis 2009 war er Bereich der Transporttechnik viert. Seit 2013 hat er als
Sprecher des SFB 407 »Quan- promoviert. Seit Ende 2011 Geschäftsführer der QUEST
tenlimitierte Meßprozesse mit begleitet er die Planung und Leibniz Forschungsschule die
Atomen, Molekülen und Pho- den Bau des HITecs. Sein Ar- Planung und den Bau des
tonen«, von 2007 bis 2014 war beitsschwerpunkt ist die tech- HITec begleitet. Seit der Ge-
er Sprecher des Exzellenz nische Leitung des Gebäudes bäudeeröffnung im Juni 2018
Clusters »Quantum Enginee- sowie die Begleitung der ist er Geschäftsführer vom
ring and Space-Time Research« Großgeräte, darunter beson- HITec sowie vom Sonderfor-
(QUEST). Er ist Sprecher von ders die des Einstein-Elevators. schungsbereich 1227 DQ-mat.
QUANOMET und Sprecher des Kontakt: [email protected] Kontakt: [email protected]
HITec-Vorstands. hitec.uni-hannover.de quest.uni-hannover.de
Kontakt: [email protected]
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HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

Der VLBAI-Teststand

EIN FALLTURM FÜR ATOME

Die Frage, wie weit man ein 1
Atom von sich selbst trennen
Der Very Long Baseline Atom kann, ist vielleicht eine der
Interferometer-Teststand faszinierendsten in der mo-
dernen Physik. Eine solche
(VLBAI) ist eine multifunktional Trennung mittels quantenme-
einsetzbare Experimentplatt- chanischer Delokalisierung ei-
form für atominterferome- nes Materiewellenpakets – das
trische Inertialsensorik zur Atom, beschrieben durch eine
Geodäsie und Grundlagen- quantenmechanische Wellen-
forschung in der Physik. Es ist funktion, befindet sich dann
eines der drei zentralen Groß- bis zur Detektion tatsächlich
gleichzeitig an zwei verschie-
denen Orten – ist nicht nur für
fundamentale Fragestellungen
in der Quantenmechanik inte-
ressant, sondern eröffnet auch
die Tür zu neuen Empfind-
lichkeitsrekorden.

geräte im Forschungsbau HITec. Vermisst man interferomet-
Drei Wissenschaftler vom risch – also mit Messmetho-
Institut für Quantenoptik den, die die Überlagerung
berichten. von Wellen nutzen, um zu
messende Größen zu bestim-
men – mit frei fallenden Ma-
teriewellen Beschleunigun-
gen wie zum Beispiel die An-
ziehung der Erde, so wird die
Messung umso empfindli-
cher, je länger die Materie-
wellen fallen. Ebenso führt
eine große Delokalisation der
Materiewellen während der
Messung zu höheren Emp-
findlichkeiten, ähnlich wie
durch die Verwendung eines
Meterstabs mit feinerer Un-
terteilung. Um hier die nächs-
te Größenordnung an Emp-
findlichkeit zu erreichen und
gleichzeitig die »Brücke« zwi-
schen Bodenexperimenten
und Apparaturen im Weltall,
an Bord derer prinzipiell
beliebig lange Freifallzeiten
möglich sind, zu bauen, stellt

10

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

der Very Long Baseline Atom schließend überlagert wer- Spezies Rubidium und/
Interferometer-Teststand den: Interferenz findet statt. oder Ytterbium bereitge-
(VLBAI, siehe Abbildung 1) Dies bedeutet, dass abhängig stellt. Diese Testmassen
besonders viel Platz zur Ver- von Phasenunterschieden können dann entweder fal-
fügung: Als eines der drei zwischen den beiden Pfaden, len gelassen oder auf eine
zentralen Großgeräte im For- zum Beispiel ausgelöst durch Wurfparabel gebracht wer-
schungsbau HITec (nicht zu Beschleunigungen, am Inter- den, um im freien Fall den
verwechseln mit dem separat ferometerausgang verschieden Messzyklus zu durchlau-
stehenden Freifallsimulator viele Atome gezählt werden. fen.
»Einstein-Elevator«, in wel- Durch dieses Signal kann
chem nicht nur atomare Wel- dann auf die zu vermessende 2. Die Interferometriezone
lenpakete, sondern ganze Größe, im Beispiel die wir- ist das Herzstück des Test-
experimentelle Apparaturen kende Beschleunigung, Rück- stands. Um in der über 10
frei fallen können) erstreckt schluss gezogen werden. Meter langen Vakuumröh-
re Messungen durchzufüh-
2 Im Rennen mit den zwei an- ren, muss diese bestmöglich
deren Atominterferometern vor äußeren Störeinflüssen
sich das 15 Meter lange Fall- dieser Dimension in Wuhan geschützt werden. Neben
röhrenvakuumsystem über (China) und Stanford (USA) der Erzeugung von Ultra-
drei Stockwerke durch einen ist der VLBAI-Teststand mit hochvakuum innerhalb der
Schacht vom Keller bis über allerlei technischen Raffines- Röhre – hier herrschen bis
das Dach hinaus. sen gespickt, welche in Zu- zu tausendfach niedrigere
kunft herausragende Experi- Drücke als beispielsweise
In voller Analogie zu opti- mente erhoffen lassen. Die im nahen Erdorbit – spielt
schen Interferometern, wie Apparatur (Abbildung 1) lässt hier insbesondere eine kom-
sie beispielsweise kürzlich sich in drei Kernkomponen- plexe Konstruktion aus
zum spektakulären direkten ten unterteilen: Aluminium und speziel-
Nachweis von Gravitations- len Eisen-Nickel-Blechen
wellen verwendet wurden, 1. Die Quellen für ultrakalte (»Mu-Metall«) eine wich-
basieren auch Materiewellen- Atome sind der Ausgangs- tige Rolle: Die in Zusam-
interferometer auf Geometri- punkt für sämtliche Expe- menarbeit mit Prof. Peter
en, die mithilfe von Strahltei- rimente im Teststand. Mit- Fierlinger der Technischen
lern und Spiegeln realisiert hilfe sehr gut erforschter Universität München kon-
werden. Im Gegensatz zu op- Techniken aus dem Bereich zipierte Magnetfeldabschir-
tischen Interferometern tau- der Laserkühlung und der mung eröffnet eine neue
schen hier allerdings Materie Erzeugung ultrakalter Ära im Bereich der Magnet-
und Licht die Rollen: Strahl- Quantengase bis hin zur feldkontrolle in Materie-
teiler und Spiegel werden Bose-Einstein-Kondensati- welleninterferometern.
durch Laserstrahlen realisiert on – dem Materiependant Zwei Lagen Mu-Metall er-
und erzeugen Materiewellen- zum Laser – werden an bei- zeugen durch geschickte
überlagerungen, die gleich- den Enden der Interferome- Anordnung die Ablenkung
zeitig auf zwei räumlich ge- triezone etwa einmal pro von magnetischen Feldlini-
trennte Pfade gelenkt werden Sekunde Ensembles der en weg von der Interfero-
(Abbildung 2). Nach Umlen- metriezone.
kung können die Pfade an-
3. Den Referenzpunkt und
damit die Basis aller Expe-
rimente stellt die seismi-
sche Isolierung des Test-
stands dar. Hier werden
Methoden aus dem Feld
der experimentellen Gravi-
tationswellenphysik ver-
wendet: Mittels einer ge-
schickten Anordnung
spezieller Blattfedern aus
künstlich gealtertem Stahl
wird eine besonders hohe
Periodendauer der Eigen-
schwingung des Isolators
von einigen Sekunden
pro Schwingung erzeugt.

11

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

Störeinflüsse oberhalb der Ei- von Unterwanderung des vollständig auf zwei großen
genfrequenz werden dadurch Grundwasserspiegels durch Theorien: der Quantenmecha-
natürlicherweise unterdrückt. Salzwasser von hoher Bedeu- nik und der allgemeinen Rela-
Um auch die mechanische Re- tung für den Menschen sind, tivitätstheorie von Einstein.
sonanz sowie tieferfrequente nichts mehr im Wege. Mit Da es bis heute aufgrund von
Störeinflüsse zu unterbinden, großen Netzwerken vieler Inkonsistenzen nicht gelun-
befinden sich auf der Platt- VLBAI-ähnlicher Instrumente gen ist, beide Theorien zu ei-
form mehrere Seismometer. auf der Erde können neue ner sogenannten »Weltformel«
Mit ihrer Hilfe werden Rest- Erkenntnisse über die elasti- zu vereinen, suchen Wissen-
bewegungen und rotationen schen Schwingungseigen- schaftler weltweit nach Verlet-
präzise erfasst und anschlie- schaften der Erde und gar zungen von bisher als gültig
ßend mittels von elektromag- neue Möglichkeiten zur Erd- anerkannten Gesetzen.
netischer Aktuatoren gekon- bebenvorwarnung gewonnen
tert. werden. Im VLBAI-Teststand soll ein
ganz zentrale Postulat von
Mithilfe des neuen VLBAI- Auch auf der fundamentalen Albert Einstein unter die Lupe
Teststands wird es möglich Seite stehen spannende Tests genommen werden: Fallen alle
sein, eine Vielzahl faszinieren- bevor. Gegenstand aktueller Körper unabhängig von ihrer
der Experimente sowohl im Forschung ist der Übergang Masse und anderer Eigen-
Bereich praktischer Anwen- zwischen dem Mikrokosmos, schaften am selben Ort immer
dungen als auch in der Geo- in dem die Quantenmechanik gleich schnell? Auf diese Frage
däsie, mit hoher Bedeutung dominiert und der makrosko- liefert keine Theorie eine Ant-
für die Grundpfeiler der fun- pischen Realität, wie sie unser wort – nur experimentelle
damentalen Physik durchzu- tägliches Leben bestimmt. Überprüfungen können hier
führen. Da die Empfindlichkeit des Licht ins Dunkel bringen. Im
Apparats auf der räumlichen Spektrum von anschaulichen
So wäre es zum Beispiel für Separation von Überlage- Tests dieser Universalität des
Geodäten eine Revolution, rungszuständen basiert, eig- freien Falls (UFF) wie dem Fall
Messungen der Erdbeschleu- nen diese sich hervorragend von Hammer und Feder auf
nigungen mit erhöhter Genau- zur Überprüfung eventuell der luftleeren Mondoberfläche
igkeit und stabil über sehr lan- existierender Grenzen dieser während der Apollo 15 Missi-
ge Zeitintervalle durchzufüh- makroskopischen Ausdeh- on bis hin zu hochempfindli-
ren. Prinzipiell stünde dann nung von quantenmechani- chen Experimenten mit Torsi-
neuem Verständnis von hyd- schen Zuständen. Weiterhin onswaagen auf der Erde und
rologischen Modellen, welche basiert unser derzeitiges Ver- mit speziellen Beschleuni-
in Küstenregionen aufgrund ständnis der modernen Physik gungssensoren der Microscope
Satellitenmission in 2017 konn-
te bisher keine Verletzung fest-
gestellt werden. Durch den
Vergleich des Freifalls von
Ytterbium- und Rubidiumen-
sembles im VLBAI-Teststand
wird ein neues Kapitel im Feld
der Quantentests der UFF auf-
geschlagen. Auf der spannen-
den Suche nach neuer Physik
ist hier also in Zukunft Vieles
zu erwarten!

Prof. Dr. Ernst M. Rasel Dr. Dennis Schlippert Étienne Wodey
Jahrgang 1965, ist Professor Jahrgang 1985, ist Gruppenlei- Jahrgang 1991, ist Doktorand
am Institut für Quantenoptik. ter am Institut für Quanten- am Institut für Quantenoptik.
Seine Arbeitsschwerpunkte optik. Seine Forschungs- Der Schwerpunkt seiner Dok-
sind Atomoptik, Quantenoptik schwerpunkte liegen in der torarbeit liegt in der techni-
sowie Präzisionssensoren für Atominterferometrie mit lan- schen Umsetzung der VLBAI-
Raum und Zeit. Kontakt: gen Fallzeiten und der Erfor- Atomfontäne und in der Erfor-
[email protected] schung neuartiger Sensorkon- schung neuer Atomquellen für
zepte für inertiale Messungen Ytterbium. Kontakt:
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Der Einstein-Elevator

DER WELTWEIT ERSTE FALLTURM NEUER GENERATION MIT HOHER WIEDERHOLRATE

Der Einstein-Elevator ist die Das ambitionierte Ziel in der 1 Äußeres Tragwerk
Raumfahrt für die nächsten
zwei Jahrzehnte besteht darin, zur Gondelführung

weltweit erste Forschungsein- eine Kolonie auf dem Mars zu Inneres Tragwerk Führungsschiene für die
richtung für physikalische und errichten, zumindest wenn es zur Antriebsführung Rollen der Gondelführung
nach der Vision von Elon Musk
(SpaceX) geht. Für eine Koloni- Antriebssäule
mit den Statorelementen
alisierung sind allerdings noch des Linearsynchronmotors
produktionstechnische Experi- viele Fragen ungeklärt. Auf
Gondel
mente bei unterschiedlichen dem langen Flug zum Mars (Geführte Vakuumkammer
werden voraussichtlich metalli-
Antriebswagen
sche oder aus Kunststoff beste- Traverse zur Verbindung
Gravitationsbedingungen von hende Ersatzteile benötigt. Wie
der Antriebswagen
werden diese in Schwerelosig- Experimentträger mit der Gondel
Schwerelosigkeit bis zur fünf- keit produziert? Mit konventio-
Öffnung im Tragwerk
fachen Erdbeschleunigung mit nellen Werkzeug-maschinen? Koppelstange zur Beladung der Gondel
hoher Wiederholrate. Wissen- Im Druckverfahren? Sind die zur vertikalen
Astronauten auf dem Mars an- Krafteinleitung Entkoppeltes
gekommen, müssen sie sich äußeres Ringfundament

schaftler vom Institut für Unterkünfte errichten. Da die Gebäudefundament
Nutzlast für Bauteile von der

Transport- und Automatisie- Erde begrenzt ist, sollte mög-
lichst auf Ressourcen zurück-

gegriffen werden, die auf dem
rungstechnik stellen die Funk- Planeten vorkommen. Aber

wie werden aus den Mars-Roh-
tionen und einzigartigen Mög- stoffen Habitate gebaut, die

lichkeiten der dem Menschen nicht nur
Schutz vor kosmischer Strah-

Eigenkonstruktion vor. lung bieten, sondern im Inne-
ren auch eine Atmosphäre

erhält, in welcher der Mensch

atmen kann?

Die Entwicklung von Metho- Entkoppeltes
den und Techniken für diese inneres Fundament
sehr speziellen Einsatzgebiete
kann auf der Erde stattfinden.
Die Erprobung unter Schwere-
bedingungen, wie sie bei-
spielsweise im All oder auf
dem Mars vorherrschen, kann
dann in Falltürmen erfolgen.
Mithilfe geeigneter Versuchs-
aufbauten können darin Expe-
rimente von sehr kleinen Pro-
zessen aus der Quantenphysik

14

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

bis hin zu sehr großen Auf- (µg = 10 -6 g – hier steht g für ge manuelle Arbeiten, ein ge- Abbildung 1
bauten aus dem Maschinen- eine Einheit/ein Vielfaches der ringer Automatisierungsgrad Querschnitt durch die Konstruktion
bau, beispielsweise zum 3D- Erdgravitation und nicht für und lange Pumpzeiten bei der des Einstein-Elevators. Zur Schwin-
Druck im All oder auf dem eine Masse in Gramm), Ver- Vakuumerzeugung. In beiden gungsentkopplung stehen die zwei
Mars, durchgeführt werden. suchsdauer sowie Dimension Anlagen wird das Experiment Türme (gelb und blau) auf jeweils vom
und Gewicht der Nutzlast un- in einer druckdichten Kapsel Gebäude getrennten Fundamenten.
Das Institut für Transport- terscheiden. Allerdings nut- in riesigen Vakuumkammern Für die nötige Stabilität sorgen 10 m
und Automatisierungstechnik zen alle Falltürme das gleiche ungeführt fallengelassen und ins Erdreich getriebene Bohrpfähle.
hat die Entwicklung einer Prinzip: Das Fallenlassen ei- durch einen Behälter mit Sty-
neuartigen Anlage federfüh- nes Versuchsträgers im Vaku- roporkugeln wieder abge- Abbildung 2
rend übernommen und wurde um, beschleunigt durch die bremst. Ein Katapult ermög- Die Computeranimation vermittelt
dabei von Kollegen aus der Erdgravitation. Keiner dieser licht zudem im Fallturm bereits einen hervorragenden Ein-
Quantenoptik unterstützt. Falltürme ermöglicht es, Gra- Bremen eine Verdoppelung druck davon, wie es später im
Vom ersten Entwurf bis hin vitationsbedingungen, wie sie der Versuchsdauer von 4,7 s Einstein-Elevator einmal aussehen
auf knapp 9,3 s durch einen wird: Der Versuchsträger wird in
2 auf dem Mond oder dem Mars vertikalen Parabelflug. der Beladeebene bei angehobenem
auftreten, nachzustellen. Der Gondeloberteil eingebracht.
zur Bauüberwachung und der Einstein-Elevator ist die erste Falltürme der nächsten
Entwicklung eigener Mess- Anlage weltweit, die zusätz- Generation
und Steuerungskonzepte ist lich zu reinen Schwerelosex-
der Aufbau dieses Gerätes perimenten die Kapsel auch In den vergangenen zehn Jah-
durch ein kleines Team von gebremst fahren und somit ren wurde am ZARM in Bre-
Institutsmitarbeitern in Zu- andere Gravitationsbedingun- men, bei der NASA in Cleve-
sammenarbeit mit den Firmen gen simulieren kann und das land (Ohio) und in Hannover
Ingenieur Büro Heinz Berlin bei einer gleichzeitig hohen an einer neuen Fallturmgene-
(Planung und Konstruktion), Wiederholrate, welche statisti- ration gearbeitet. Treibend wa-
Eilhauer Maschinenbau GmbH sche Untersuchungen in die- ren die Ziele: Erzeugung par-
(Generalunternehmer für Stahl- sen wissenschaftlichen Expe- tieller Gravitation und Steige-
bau, Maschinenbau, Elektro- rimenten kosten- und zeit- rung der Wiederholrate. Die
technik), InTraSys GmbH günstig zulässt. Konzepte unterscheiden sich
Innovative Transportsysteme in ihrer Ausführung, haben
(Antriebs- bzw. Bremssystem Die Wiederholrate bei konven- aber alle gemeinsam, dass
und Regelungstechnik), tionellen Falltürmen ist meist Hochleistungsantriebe sowie
Hall BV (Gondel und Traverse) stark eingeschränkt. Zum Bei- präzise Mess- und Regelungs-
und Stercom Power Solutions spiel ermöglichen die beiden technik zum Einsatz kommen
GmbH (SuperCap-Anlage) bekanntesten Forschungs- und der Automatisierungsgrad
realisiert worden. großanlagen, die NASA Zero bei der Versuchsdurchführung
Gravity Research Facility (132 m stark gesteigert wird. Auf gro-
Einstein-Elevator versus Freifallweg, 5,18 s Falldauer) ße Vakuumkammern wird ver-
konventionelle Falltürme und der Fallturm Bremen (110 m zichtet. Stattdessen fährt eine
Freifallweg, 4,7 s Falldauer), Kabine, welche den Experi-
Weltweit existiert eine Viel- nur zwei bis drei Experimente mentaufbau umgibt, von
zahl an Falltürmen, die sich in pro Tag. Gründe dafür sind Schienen geführt auf und ab.
der Genauigkeit der Schwere- unter anderem zeitaufwändi- In Bremen existiert mittlerwei-
losigkeit/Mikrogravitation le ein Prototyp, die NASA wer-
tet noch Konzeptstudien aus.
Die Fertigstellung des Ein-
stein-Elevators ist für das Win-
tersemester 2018/2019 geplant.

Große wissenschaftliche
Experimente im vertikalen
Parabelflug

Im Einstein-Elevator können
große experimentelle Aufbau-
ten untersucht werden. Diese
können eine Größe von 1,7 m
im Durchmesser und 2 m
Höhe bei einem Gewicht von

15

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

3 bis zu 1000 kg haben. Eine zung weiterer vier zuschaltba- standhalten muss, sind Tests
druckdichte Hülle sorgt bei rer Wirbelstrombremsen wird nötig, bei denen ein schneller
Abbildung 3 Bedarf für eine erdähnliche die bewegte Masse sicher auf Wechsel in einem Sekunden-
Die Gondel des Einstein-Eleva- Atmosphäre im Innern des Hydraulikzylindern abge- bruchteil von multipler Gravi-
tors ist vollständig aus kohlen- Trägers. Außerdem können setzt, die die Restgeschwin- tation zu partieller Gravitation
stofffaserverstärktem Kunststoff elektrische Energie, Druckluft, digkeit schlussendlich auf oder Schwerelosigkeit erfol-
gefertigt und hat bei einer Ge- Kühlmittel oder Prozessgase null reduzieren. gen kann. Beispielsweise kön-
samthöhe von 4,5 m und einem zwischengespeichert werden. nen im Einstein-Elevator Be-
Durchmesser von 2 m eine Mond, Mars, Raketenstart schleunigungen, wie sie in
Masse von ca. 450 kg. Vor dem Ein Hochleistungslinearan- Ariane 5-Raketen (maximal
Einbau in den Einstein-Elevator trieb beschleunigt die Gondel Im Bereich von 0 g bis 1 g wer- 4,55 g) oder Sojus-Raketen
wird die Gondel auf Vakuumdich- samt Experimentträger mit ei- den Mond- oder Marsgravita- (maximal 4,30 g) auftreten,
tigkeit getestet, um später eine nem Gesamtgewicht von etwa tion nachgestellt. Dabei wird nachgestellt werden. Bei den
Vakuumqualität von mindestens 2,7 t auf einer Strecke von 5 m in der Beschleunigungsphase höheren Beschleunigungen
10-2 mbar zu gewährleisten. mit einer Beschleunigung von mit im Vergleich zum Schwe- sind allerdings die Versuchs-
5 g innerhalb von 0,5 s auf relos-Profil geringerer Be- zeiten stark reduziert (1,4 s
Abbildung 4 20 m/s (= 72 km/h). Dazu wer- schleunigung gestartet, so- bei 1,5 g bis 0,5 s bei 5 g), da
Der Linear-Synchron-Motor in den 4,8 MW Antriebsleistung dass die Anfangsgeschwin- hierfür lediglich der Weg der
den zwei Antriebssäulen sorgt benötigt, die von einem Su- digkeit ebenfalls geringer ist. Beschleunigungsphase zur
für die nötige Beschleunigung perkondensator-Energiespei- Entsprechend des gewünsch- Verfügung steht.
von maximal 5 g. Im unteren Be- cher bereitgestellt werden. ten Profils wird anschließend
reich mit sechs parallelen Stator- in Aufwärtsrichtung zusätz- Wiederholrate von 100 Experi-
reihen für die Beschleunigung Während des vertikalen Para- lich beschleunigt und in der menten pro 8-Stunden-Schicht
und im oberen Bereich mit zwei belflugs kompensiert der An- Abwärtsrichtung entspre-
Statorreihen zum Ausgleich von trieb Luft- und Rollwider- chend gebremst. Die mögliche 100 Experimente in einer
Luft- und Rollwiderstand. stand entlang der 20 m langen Dauer der Versuchsdurchfüh- 8-Stunden-Schicht bedeuten,
Auffälliges Merkmal: Um die Freifallstrecke, sodass die rung hängt vom Fahrprofil ab dass ein Experiment alle 4 bis
Turm-in-Turm-Konstruktion Gondel einer idealen vertika- und kann zwischen 4 s bei 5 min. gestartet wird. In der
deutlich zu erkennen, sind der len Wurfparabel folgt. Bei den nahe 0 g und bis zu 12,8 s bei Zeit zwischen den Versuchs-
Turm für die Gondelführung in Schwerelosexperimenten löst 0,9 g betragen. Bei den Experi- durchführungen befindet sich
gelb (Institutsfarbe ITA) und der sich nach der Beschleuni- menten mit partieller Gravita- die Gondel in der Parkpositi-
Turm für den Antrieb in blau gungsphase im Inneren der tion bleibt der Experimentträ- on. Diese Zeit wird genutzt,
(Farbe der LUH) lackiert. Alle Gondel der Experimentträger ger fest mit dem Boden der um das Experiment wieder
beweglichen Komponenten wie vom Gondelboden und schwebt Gondel verschraubt. auszurichten. Der Experi-
die Antriebswagen und das kräftefrei für 4 s. Am Ende mentträger wird während des
Schienensystem zur Einbringung des Schwerelosfluges werden Auch der Bereich von 1 g bis freien Falls durch die Coriolis-
des Experimentträgers sind für Experimentträger und Gon- 5 g ist nutzbar und wissen- kraft beeinflusst, das heißt die
einen maximalen Kontrast in rot delboden wieder angenähert. schaftlich interessant, wenn- Erde dreht sich unter dem Ex-
lackiert. Die einzelnen Antriebselemen- gleich dieser nicht im Fokus periment weiter und es landet
te werden kurzgeschlossen, liegt. Für die Entwicklung von daher nicht dort, wo es zuvor
sodass diese als Wirbelstrom- Technik, die in Schwerelosig- gestartet ist. Die dafür we-
bremse arbeiten. Die Gondel keit präzise funktioniert, aber sentliche Komponente ist ein
wird mit bis zu 5 g wieder ab- zuvor einem Raketenstart automatisches Ausrichtsys-
gebremst. Mit der Unterstüt- tem, welches den Experiment-
träger in der Gondel zentriert,
4 ohne diese dafür öffnen zu
müssen. Außerdem wird die
Zeit zwischen den Versuchs-
durchführungen zum Wieder-
aufladen des Superkondensa-
tor-Energiespeichers sowie
zum Abkühlen des Antriebs
genutzt. In der Parkposition
werden zudem die Energie-
speicher des Experimentträ-
gers automatisch gekoppelt
und nachgeladen. Darüber hi-
naus können die Experiment-
daten über eine permanente
Datenverbindung zwischen
Kontrollraum und Experiment

16

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

heruntergeladen und analy- Kraftübertragung ermöglichen Quantenoptik gemeinsam mit
siert sowie die Parameter für diese Entkopplung. Schwin- dem Laserzentrum Hannover
den nächsten Flug hochgela- gungen aus dem Antrieb und e.V. aus deren Kernthemen ini-
den werden. dessen Führung werden nicht tiiert. Darunter sind Themen
auf das sensible Experiment wie 3D-Druck, Lasermaterial-
Hohe µg-Qualität übertragen. Außerdem um- bearbeitung, Pulverhandha-
gibt den Experimentträger im bung in Schwerelosigkeit, Lo-
Während sich die Experimen- Gondelinneren ein Vakuum gistik im All (zum Beispiel Ma-
te in Schwerelosigkeit befin- mit einem atmosphärischen terial- und Bauteilhandhabung
den, sind die Restbeschleuni- Druck von < 10-2 mbar, sodass auf der Raumstation oder auf
gungen auf das Experiment so auch Luftstöße und Schallwel- der Mond-/Marsoberfläche)
gering wie möglich zu halten. len nicht übertragen werden. sowie Abbau, Transport und
Gerade quantenoptische Experi- Bei der Konstruktion des Expe- Verarbeitung von Material zum
mente benötigen eine mög- rimentträgers ist außerdem auf Unterkunftsbau. Darüber hin-
lichst hohe µg-Qualität (Mik- eine hohe Steifigkeit und ein aus besteht auch der Bedarf in
rogravitation). Der angestreb- schnelles Abklingverhalten der physikalischen Grundla-
te Zielwert liegt bei < 10-6 g. bei Restschwingungen geachtet genforschung beispielsweise
Um dieses Ziel zu erreichen, worden. an ultrakalten Quantengasen
sind Experiment beziehungs- (zum Beispiel Bose-Einstein-
weise die Gondel und der An- Die ersten Experimente stehen Kondensaten) sowie deren
trieb voneinander entkoppelt. in den Startlöchern Atominterferometrie und
Eine aufwändige Turm-in- Materiewellenexperimenten.
Turm-Konstruktion mit sepa- Die ersten Forschungsprojekte Hierbei können die statisti-
raten Fundamenten für die im Einstein-Elevator werden schen Kampagnen aufgrund
Türme der Antriebs- sowie durch das Institut für Trans- der hohen Wiederholrate erst-
der Gondelführung und einer port- und Automatisierungs- mals in adäquater Zeit und zu
speziellen Konstruktion zur technik sowie das Institut für deutlich geringeren Kosten als
bisher durchgeführt werden.

Dipl.-Ing. Christoph Lotz Sebastian Lazar, B.Sc. Prof. Dr.-Ing. Ludger Overmeyer
Jahrgang 1985, ist seit 2011 Jahrgang 1990, ist seit 2016 Jahrgang 1964, ist Leiter des
Wissenschaftlicher Mitarbeiter Wissenschaftlicher Mitarbeiter Instituts für Transport- und
des Instituts für Transport- des Instituts für Transport- Automatisierungstechnik und
und Automatisierungstechnik und Automatisierungstechnik Wissenschaftlicher Direktor des
und der QUEST Leibniz For- und der QUEST Leibniz For- Laser Zentrum Hannover e.V..
schungsschule. Seit November schungsschule. Sein Arbeits- Seine Forschungsschwerpunkte
2014 leitet er die Gruppe schwerpunkt ist die elektro- sind unter anderem die Auto-
Transporttechnik. Sein Ar- technische Betreuung des matisierung von Förderanlagen
beitsschwerpunkt ist das Ma- Aufbaus des Einstein-Eleva- und innerbetrieblichen Trans-
nagement des Projektes Ein- tors, insbesondere der Mess- portsystemen sowie die Inte-
stein-Elevator. Kontakt: und Steuerungstechnik. gration innovativer Sensortech-
[email protected] Kontakt: [email protected] nologien in diese Anlagen, die
hannover.de hitec.uni-hannover.de Lasermaterialbearbeitung und
die Optronik. Kontakt:
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19

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

Mehr als nur Lichtleitung

INNOVATIVE GLASFASERHERSTELLUNG AM HITEC

1

In den Laboratorien des

HITec-Gebäudes können auf-

grund der technischen Ausstat-

tung in Zukunft neuartige,

laseraktive und strahlungsharte

Fasern realisiert werden.

Wissenschaftler vom Institut

für Quantenoptik und vom Optische Glasfasern oder Die Lichtleitung in optischen Abbildung/Infokasten 1
Laser Zentrum Hannover e.V. Lichtwellenleiter sind aus vie- Fasern beruht auf dem Effekt
berichten über die Verbindung len Bereichen unseres Alltags der Totalreflexion, der an der (a) Verteilung des Brechungsin­
der klassischen Forschung an nicht mehr wegzudenken: In Grenzfläche zwischen einem dexes in einer optischen Glas­
laseraktiven Glasfasern mit komplexen medizinischen An- optisch dichteren hin zum op- faser. Ein innerer, hochbre­
wendungen werden Glasfa- tisch dünneren Medium auf- chender Faserkern mit Bre­
Weltraumanwendungen. sern zum Beispiel bei der En- tritt (s. Infokasten 1): Ein inne- chungsindex n1 ist umgeben
Ziel dabei ist es, doskopie eingesetzt. Auch in rer hochbrechender Faserkern von einem niedrigbrechenden
der modernen industriellen (n1) ist umgeben von einem Mantel mit n1 > n2. Die Bre­
ein Forschungszentrum Produktion, vor allem der La- niedrigbrechenden Mantel chungsindexvariation inner­
für die Herstellung von sermaterialbearbeitung sind (n1 > n2). Die Brechungsindex- halb der Glasfaser wird dabei
Spezialfasern zu etablieren. optische Fasern in der Strahl- variation innerhalb einer sol- durch den Einsatz unter­
führung oder als Strahlquelle chen Glasfaser wird dabei schiedlicher Fremdatome, so­
bereits etabliert. Ebenso wer- durch die Verwendung unter- genannter Dotanden, im Kern
den in der Sensorik mehr und schiedlicher Fremdatome, so- und im Mantel erreicht und
mehr Konzepte auf der Basis genannter Dotanden, im Kern führt zu einer Lichtleitung in­
von Glasfasern entwickelt. und im Mantel erreicht. Der nerhalb des Faserkerns. Un­
Der Begriff Lichtwellenleiter so ausgebildete Wellenleiter terhalb eines kritischen Ak­
wird aber heute überwiegend ermöglicht eine nahezu ver- zeptanzwinkels der einfallen­
assoziiert mit der modernen lustfreie Führung optischer den Lichtstrahlen in die Faser
optischen Datenübertragung Strahlung über hunderte von werden diese im Faserkern ge­
über Glasfaserkabel und ihrer Kilometern. Glasfasern kön- führt, wobei die lokale Krüm­
enormen Kapazität, die im nen mittlerweile aber viel mung des Wellenleiters an der
Zeitalter des Hochgeschwin- mehr, als nur eine reine Licht- Grenzfläche zwischen Kern
digkeits-Internets den gesam- leitung: Durch eine Dotierung und Mantel eine Rolle spielt.
ten Globus umspannt. Heut- des Faserkerns mit seltenen
zutage lassen sich mittels mo- Erden, wie zum Beispiel Ytter- (b) Aufbau einer optischen Glas­
dernster Multiplexverfahren bium, kann eine Verstärkung faser. Der aus Glas bestehende
Signalübertragungsraten von von Licht bis hin zur Laserak- Kern bzw. der Mantel werden
bis zu 1014 bit/s pro Faser errei- tivität erreicht werden. Mo- zum mechanischen Schutz mit
chen. derne Faserlasersysteme lie- einem Schutzmantel aus meh­
reren Polymerschichten über­
zogen.

20

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

gen auf einem Leistungsni- zum Beispiel maßgeschneiderte ckelt wird. Aus einer einzigen Abbildung 2
veau von über 100 kW und faserbasierte Strahlquellen für Preform können auf diese
finden vielfältige Verwendung neuartige Sensorkonzepte, er- Weise viele Kilometer Glasfa- Modified Chemical Vapor
in Forschung und Industrie. arbeitet werden. Die Fasertech- ser kontinuierlich gezogen Deposition (MCVD)­Anlage
nologie am HITec soll hier den werden. Die gesamte Herstel- mit einer Glasdrehbank im
Die Aktivitäten der For- Status einer zentralen Enab- lungskette wird von einer um- Zentrum. Die Prozessteuerung
schungsgruppe »Integrierte ling-Technologie einnehmen. fassenden optischen und me- erfolgt mittels eines zentralen
Photonik« am HITec fügen sich chanischen Charakterisierung Systems, das neben der Zusam­
in diesen innovativen Themen- Der Prozess der Herstellung begleitet, um die komplexe mensetzung des Reaktionsge­
komplex der modernen Faser- einer Glasfaser umfasst fol- Prozessführung zu kontrollie- mischs auch die Traversen des
technologie ein. Im Vorder- gende Schritte: Ausgehend ren. Brenners steuert.
grund sollen dabei aber nicht von einem Anforderungspro- (Quelle: Lumentum)
neue Rekorde für Hochleis- fil wird zunächst ein Faserde- Am HITec-Gebäude werden
tungsfaserlaser stehen, son- sign erarbeitet, das neben der diese Fertigungsschritte ge-
genwärtig mit der Einrichtung
2 Geometrie der Faser auch ein von modernsten Anlagen um-
entsprechendes Dotierungs- gesetzt. Für die Preformher-
dern vielmehr die Realisierung profil vorgibt und das die di- stellung steht ein spezielles
von neuartigen laseraktiven versen optischen Eigenschaf- Labor zur Verfügung, das auf
und strahlungsharten Fasern. ten der Faser bestimmt. Dieses einer Fläche von etwa 80 m2
Diese Spezialfasern sollen in Faserdesign bildet die Grund- alle notwendigen Apparatu-
der Entwicklung von hochsta- lage für die Erzeugung einer ren in Reinraumumgebung
bilen Strahlquellen sowie in di- Faserpreform – einem Glas- beherbergt. Kernstück des
versen Experimenten im Be- stab mit einem Durchmesser Labors ist eine Glasdrehbank,
reich der Grundlagenforschung von 10 bis zu 50 mm und einer die mit einer Anordnung von
eingesetzt werden, wobei Länge bis über einem Meter. Wasserstoff/Sauerstoff-Bren-
strahlungsharte Fasern deren Die Preform entspricht bezüg- nern und einer komplexen
Einsatz im Weltraum ermögli- lich der Materialfolge und des Gaszufuhreinheit ausgestattet
chen sollen. Durch die beste- Brechwertprofils einer vergrö- ist (siehe Abbildung 2). Die Pre-
hende Forschungslinie Quano- ßerten Version der späteren formherstellung erfolgt mit-
met der Wissenschaftsallianz Faser und definiert damit tels des Modified Chemical
der Technischen Universität weitgehend deren spätere op- Vapor Deposition (MCVD)-Ver-
Braunschweig und der Leibniz tische Eigenschaften. Die ei- fahrens. Dafür wird die Dreh-
Universität sowie der EFRE- gentliche Faser wird schließ- bank mit einem speziellen
Kooperation LaPOF soll in Zu- lich in einem Faserziehturm Glasrohr bestückt, das als
kunft eine Expertise für Faser- hergestellt. Dafür wird die Flussreaktor dient und den
technologie am Standort Han- Preform unter präzise kontrol- späteren Mantel in der Faser-
nover ausgebildet werden. Ziel lierten Bedingungen lokal auf- architektur bildet. Die Reak-
ist es, ein Forschungszentrum geschmolzen und unter kons- tanden werden in Form flüch-
für die Herstellung von Spezi- tantem Zug zur Faser ausge- tiger Verbindungen einge-
alfasern zu etablieren. Neben zogen. Gleichzeitig erfolgt setzt, in die Gasphase über-
eigener Forschung zur Opti- eine zusätzliche Ummante- führt und in das Glasrohr ein-
mierung und Analytik von la- lung der empfindlichen Glas- geleitet. (siehe Abbildung 3) Die
seraktiven und strahlungshar- oberfläche zum mechanischen Reaktandgasmischung enthält
ten Fasern sollen für andere und chemischen Schutz, bevor vornehmlich das äußerst kor-
mit dem HITec assoziierte For- die Faser schließlich aufgewi- rosive Siliziumtetrachlorid
schungseinrichtungen spezifi- (SiCl4) sowie hochreinen Sau-
sche Problemlösungen, wie erstoff (O2), die anschließend
thermisch durch den traver-
sierenden Brenner zur Reakti-
on gebracht werden. Bei der
Reaktion bildet sich feiner
Ruß aus amorphen Glaspar-
tikeln (SiO2), die sich in der
Folge auf der Innenwand des
Glasrohres abscheiden. So
wird im Prozess, unter konti-
nuierlicher Rotation des Glas-
rohres, schichtweise die Pre-
form aufgebaut – beginnend
vom äußeren Mantel hin zum
späteren Kern. Durch Ände-

21

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

Abbildung 3 3 kann eine Dotierung des befindet sich im Mantelrohr
Schematische Darstellung des Kerns mit laseraktiven Materi- ein relativ poröses Gefüge aus
Modified Chemical Vapor Depo­ rung der Reaktandgasmi- alien erfolgen, wobei relativ Quarz-Ruß, vergleichbar mit
sition (MCVD)­Verfahrens: schung bei jeder Brennertra- komplexe metallorganische einem Schwamm. Die große
Flüchtige Vorstufen der Glasbild­ verse kann eine quasi konti- Verbindungen dem Gemisch Oberfläche kann in der Folge
ner und Dotanden, vornehmlich nuierliche Variation der zugefügt werden müssen. Die dazu genutzt werden, weitere
Siliziumtetrachlorid (SiCl4) sowie radialen Dotandenkonzentra- Dotierung erfolgt dabei als Dotanden darauf zu binden
Aluminiumchlorid (AlCl3), Ger­ tion erreicht werden. Typische Gasphasenprozess simultan und mittels eines anschließen-
maniumtetrachlorid (GeCl4) und Dotanden zur Steigerung des zur Bildung der Glaspartikel, den Sinterprozesses in der
Phosphoroxychlorid (POCl3), Brechungsindexes sind dabei wodurch sehr homogene Dot- Glasmatrix zu fixieren. Pro-
werden mittels Trägergasen (Sau­ Germanium (Ge), Phosphor andenverteilungen im Material zessbedingt verbleibt im Zen-
erstoff (O2) und Helium (He)) in (P) und Aluminium (Al), wäh- erreicht werden. Nach Ab- trum des Glasrohres ein klei-
ein Substratrohr eingeleitet und rend Bor (B) und Fluor (F) den schluss des MCVD-Prozesses ner offener Kanal, der ab-
dort thermisch zur Reaktion ge­ Brechungsindex des Glases schließend bei Temperaturen
bracht. Entstehender Glas­Ruß verringern. In gleicher Weise von etwa 2000 °C durch die
scheidet sich in der Folge schicht­ 4 Oberflächenspannung des
weise innerhalb des Glasrohres verflüssigten Glases kollabiert,
ab. Der Aufbau der Faserpreform woraufhin sich ein kompakter
erfolgt vom Mantel hin zum Fa­ Glasstab bildet.
serkern. Eine Laseraktivität der
Fasern kann durch weiteren Zu­ Nach einer eingehenden In-
satz flüchtiger Seltenerdchelate spektion und Charakterisie-
in die Reaktandgasmischung rung der Preform bezüglich
erreicht werden. Durch Variation der erreichten optischen Ei-
der Reaktandgasmischung zwi­ genschaften und der Konfek-
schen einzelnen Abscheidungs­ tionierung erfolgt dann die
zyklen lässt sich eine graduelle Übergabe an den Faserzieh-
Änderung des Brechungsindexes turm. Im HITec-Gebäude ist
innerhalb der Preform einstellen. in einem Reinraum ein Faser-
ziehturm mit einer Höhe von
Abbildung 4 12 m installiert, der mit allen
Preformhalterung und Graphit­ Komponenten zur Herstellung
ofen eines Faserziehturms. Die komplexer Fasergeometrien
eingespannte Preform wird zu­ ausgestattet ist. Dem Herstel-
nächst lokal auf Temperaturen lungsprozess folgend wird die
bis zu 2200 °C erhitzt, sodass Preform zunächst in die Hal-
das Glas verflüssigt wird. Die tevorrichtung des Ziehturms
Prozessparameter werden dabei eingesetzt und dann am unte-
so eingestellt, dass ein Glasfaden ren Ende mit einem Graphit-
mit definiertem Durchmesser ofen lokal auf Temperaturen
gezogen werden kann. bis zu 2200 °C erhitzt (siehe
(Quelle: Rosendahl Nextrom) Abbildung 4). Das Glas wird
hierbei verflüssigt, ist aller-
dings noch immer hochviskos.
Die bereits in der Preform ein-

22

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

gestellte Dotandenverteilung Aufgrund der geringen dere auch mit der Quan-
bleibt unter definierten Pro- Dicke kühlt die empfindliche tensensorik, die im wissen-
zessbedingungen vollständig Glasfaser bereits nach weni- schaftlichen Konzept des
erhalten. Unter konstanter Re- gen Metern Entfernung zum HITec-Gebäudes und in den
gelung der Temperatur ent- Graphitofen ausreichend ab kooperierenden Instituten
steht zunächst ein Tropfen an (typische Faserdurchmesser eine herausragende Rolle
der Preform, welcher der Gra- liegen beispielsweise bei spielt. Weitere Aspekte, die
vitation folgend abtropft und 125 µm). Im weiteren Verlauf das besondere Potenzial der
einen entsprechenden Glasfa- des Zugprozesses kann die Einrichtung widerspiegeln,
den nach sich zieht. Wenn der Glasfaser mit verschiedenen sind die umfangreichen, flexi-
Tropfen aufgefangen und der Polymeren beschichtet wer- blen Möglichkeiten zur Dotie-
entstandene Faden kontinuier- den. Das sogenannte Coating rung und komplexen Co-Do-
lich bei permanenter Kontrolle dient der mechanischen Stabi- tierung der Fasern mit ver-
seines Durchmessers geför- lisierung der Faser und wird schiedenen Elementen und
dert wird, entsteht die Licht- im letzten Teil des Ziehturms sogar Nanopartikeln. Mit der
leitfaser mit einem der Pre- ausgehärtet, bevor die Glas- neuen Fertigungskette für
form analogen Dotierungs- faser auf ihre Bruchstabilität Glasfasern im HITec-Gebäude
profil und den korrelierten geprüft und auf eine Spulen- werden herausragende techni-
optischen Eigenschaften. So einheit gewickelt wird. sche Möglichkeiten für die Er-
können aus einer einzelnen forschung neuartiger Konzep-
Preform (Länge ca. 1,5 m, Ein wesentliches Alleinstel- te für optische Glasfasern ge-
Durchmesser ca. 5 cm) bis lungsmerkmal der einge- schaffen, die für die weitere
zu 200 km Faser innerhalb richteten Labore ist die Ver- Entwicklung der Lasertechnik
eines Arbeitstages ausgezo- bindung der klassischen und insbesondere deren An-
gen werden, was einer maxi- Forschung an laseraktiven wendungen wichtige Impulse
malen Fördergeschwindig- Glasfasern mit Weltrauman- setzen können.
keit von etwa 400 m Faser wendungen, den Quanten-
in der Minute entspricht. technologien und insbeson-

Prof. Dr. Detlev Ristau Dr. Axel Rühl Dr. Matthias Ließmann
Jahrgang 1957, ist Professor Jahrgang 1975, leitet die Jahrgang 1982, ist wissen-
am Institut für Quantenoptik Quanomet Arbeitsgruppe schaftlicher Mitarbeiter am
der Leibniz Universität Han- »Integrierte Photonik« am Institut für Quantenoptik und
nover und arbeitet seit über Institut für Quantenoptik der seit 2012 in die Planungen der
30 Jahren in der optischen Leibniz Universität Hannover. Aktivitäten der Faserherstel-
Dünnschichttechnologie. Seine Forschungsinteressen lung am HITec eingebunden.
Seine Forschungsschwer- beinhalten neben Fasertech- Sein Forschungsschwerpunkt
punkte sind unter anderem nologie und Laserentwicklung umfasst die Charakterisierung
die Entwicklung und präzise mit einem Schwerpunkt auf optischer Komponenten.
Kontrolle moderner Ionen- Faserlasersysteme auch Kontakt: [email protected]
prozesse für die Fertigung Präzisionsspektroskopie und hannover.de
hochwertiger und stabiler Frequenzmetrologie.
optischer Schichten. Kontakt: [email protected]
Kontakt: [email protected] hannover.de

23

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

Das HITec als Herzstück

GEODÄSIE UND QUANTENPHYSIK VERBINDEN SICH

Das HITec ist für die Wissen­ Einleitung 1 plizierten Federwaagen erfährt
schaft der Geodäsie und der die Testmasse am Ende einer
Physik eine weltweit einzigar­ Die Physik und die Geometrie einem transportablen Freifall- Feder eine veränderte Anzie-
tige Laborumgebung. Dort soll unserer Erde, ihre Strukturen Absolutgravimeter wird die hungskraft durch die umgebe-
durch die Simulation verschie­ und ihre Umwelt verändern Erdschwerebeschleunigung auf nen Massen. Dies bedingt eine
denster Umweltbedingungen sich aufgrund klimatischer ausgewählten Punkten gemes- Längenänderung der Feder
die Entwicklung von Multi­ Variationen und menschlicher sen (Abbildung 1) und dann mit- und beschreibt nach Anbrin-
Sensor­Systemen (MSS) der Eingriffe laufend. Das können hilfe von handlichen Relativ- gen einer Kalibrierung eine
nächsten Generation praktisch Wissenschaftlerinnen und gravimetern um viele Punkte Schweredifferenz. Während
realisiert werden. Forscher­ Wissenschaftler der Geodäsie in der freien Natur ergänzt. Die absolute Schwerebeschleuni-
teams vom Institut für Erdmes­ anhand geometrischer und Gravimetrie ist seit den 1960er gungen mit 10 Stellen gemessen
sung (IfE) und dem Geodäti­ gravimetrischer Messungen Jahren eine Spezialdisziplin am werden (g=9.812 629 354 m/s2,
schen Institut Hannover (GIH) beweisen. Bei der Überwa- Institut für Erdmessung. Wäh- Gravimetrielabor), sind beob-
chung dieser Prozesse spielen rend eines Freifall-Experiments achtete Differenzen zu benach-
berichten. hochpräzise Sensoren eine wird eine Testmasse entlang ei- barten Punkten deutlich klei-
wesentliche Rolle. So unter- nes Laserstrahls im Hochvaku- nere Werte mit zum Beispiel 4
liegt die Qualität der erhobe- um fallengelassen, um dabei oder 5 Stellen.
nen Daten zur Beobachtung zurückgelegte Fallzeiten und
von Umweltprozessen dabei Falldistanzen mit der Genau- Globale Satellitennavigations­
einem steten Wandel zwi- igkeit eines Bruchteils einer systeme (GNSS) und Navigation
schen Präzision der Fertigung, Nanosekunde und eines Na-
Auflösungskapazität der ver- nometers zu messen. Als Un- Seit den frühen 1970-Jahren
wendeten Korrekturmodelle tergrund eignet sich am besten arbeitet das Institut für Erd-
und deren kontinuierliche gewachsener Felsen oder eine messung zusätzlich im For-
Entwicklung sowie Umset- feste, vibrationsisolierte Beton- schungsschwerpunkt Globale
zung von Kalibrier- und Prüf- fläche. Mit Relativgravimetern Satellitennavigationssysteme
verfahren zur nachweisbaren werden Schweredifferenzen (GNSS) und Navigation. Die
Sicherung der Qualität geodä- zwischen zwei Punkten be-
tischer Messinstrumente. Das stimmt. Bei diesen hochkom-
HITec bietet für ingenieurgeo-
dätische und geowissenschaft-
liche Anwendungen eine welt-
weit einmalige Laborumge-
bung, die sich durch fachliche
Nähe zu den Nachbardiszipli-
nen einerseits und idealen,
technischen Bedingungen an-
dererseits auszeichnet.

Gravimetrie

Die Anziehungskraft der Erde
unterscheidet sich von Ort zu
Ort aufgrund von Massenun-
terschieden in und auf der Erde
und aufgrund von Höhenände-
rungen der Erdoberfläche. Mit

24

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

aktuelle Forschung konzent- Standard definiert. Das Institut nen Systems, wie auch Ab- Abbildung 1
riert sich auf die Nutzung von zählt weltweit zu den vier sei- weichungen, die durch die Das Absolutgravimeter FG5X-
Atomuhren zur verbesserten tens des Internationalen GNSS Kombination auftreten, kon- 220 der Leibniz Universität
Navigation mit GNSS, die Posi- Service anerkannten Institutio- sistent beschrieben und be- Hannover bei Messungen in der
tionsbestimmung von niedrig- nen zur Kalibrierung von rücksichtigt werden, wie zum Physikalisch-Technische Bundes-
fliegenden Satelliten, die Über- GNSS-Antennen. Beispiel bei der Navigation in anstalt (PTB).
wachung von Bodensenkungen Durch die Kombination ver- städtischen Häuserschluch- Abbildung 2
mittels GNSS oder die Ent- schiedener globaler Navigati- ten, präzisen Landeanflügen, AMTEC/Schunk-Roboterarm für
wicklung von Konzepten zur onsysteme (zum Beispiel GPS der Positionierung in akti- die GNSS-Antennenkalibrierung
kollaborativen Positionierung (USA), GLONASS (russ.), Ga- ven Referenznetzen, der kol- in Echtzeit.
und Integritätssicherung (unter lileo (eur.), Beidou (chin.)) und laborativen Navigation oder
anderem benötigt für das hoch- aufgrund neuer Frequenzen der präzisen GNSS-Zeit- und Abbildung 3
automatisierte Fahren) sowie und Signale werden neue Frequenzübertragung. Hochgenaue, kinematische Vermes-
die Antennenkalibrierung. sung von Kranbahngleisen, Oben:
Anwendungsfelder erschlos- Ingenieurgeodäsie Multi­ Sensoren auf Messchlitten, Unten:
2 sen, die zusätzlich die Quali- Sensor­Systeme der nächsten Verfolgung des Messchlitten mit
tät der Positionierung (Ge- Generation Lasertracker.
Hierzu ist die Beschreibung nauigkeit, Zuverlässigkeit,
des Fehlerhaushaltes auf mm- Integrität, Verfügbarkeit) bei Das Geodätische Institut Han-
Niveau notwendig. Zusammen bestehenden Applikationen nover (GIH) forscht seit mehr
mit der Firma Geo++® aus deutlich steigern werden. als zehn Jahren im Bereich der
Garbsen wurde ein roboterba- Voraussetzung ist, dass der Multi-Sensor-Systeme (MSS)
siertes Echtzeit-Kalibrierver- Fehlerhaushalt jedes einzel- und deren Einsatz für die geo-
fahren für GPS-Antennen ent- metrische Umwelterfassung
wickelt (vgl. Abbildung 2), das (zum Beispiel Monitoring und
aktuell den internationalen Deformationsmessung natür-
licher und anthropogener
3 Strukturen). Hierbei sind die
zu überwachenden Objekte in
ihrer dreidimensionalen Geo-
metrie zu diskreten Zeitpunk-
ten möglichst detailgetreu
und effizient zu erfassen. Ins-
besondere das kontinuierliche,
zeitliche Verhalten soll über
Jahre und Monate hinweg bis
zu Stunden und Bruchteilen
von Sekunden hin beschrieben
werden. Ein MSS (Abbildung 3)
besteht im Wesentlichen aus
objekterfassenden Sensoren
(zum Beispiel Laserscanner,
Kamera) und referenzieren-
den Sensoren (zum Beispiel
Tachymeter, Lasertracker,
Navigationssensoren). Die
objekterfassenden Sensor-
komponenten der MSS liefern
aktuell hohe Genauigkeiten
(von Submillimeter bis hun-
dertstel Millimeter) und Da-
tenraten von bis zu mehreren
Millionen von Punkten pro
Sekunde.

Der Einsatz der Systeme unter
realen Umweltbedingungen
erfordert zwingend eine Be-
rücksichtigung der atmosphä-
rischen Parameter und ande-
ren Einflussgrößen bei der
Modellierung des gesamten

25

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

Abbildung 4 4 Baseline Atom Interferometer
(VLBAI, vgl. Abbildung 4) beho-
Das HiTEC mit dem neuen ben sein: Mithilfe des freien
Gravimetrie-Messlabor und dem Falls von Quanten über eine
»Very Long Baseline Atom Inter- 10 m Vertikaldistanz wird das
ferometer« in direkter Nachbar- VLBAI die gewünschten Refe-
schaft zur vertikalen Gravimeter- renzwerte bestimmen. Unter-
Kalibrierline. Massenbewegun- stützend werden von Relativ-
gen aufgrund von Gezeiten, gravimetern die Auswirkun-
Luftmassenvariationen und gen der lokalen hydrologi-
Grundwasserstandsänderungen schen Änderungen im Erd-
sind signifikante Messgrößen. reich auf die einzelnen Stock-
werke und die Wirkung von
Gezeiten, Atmosphäre und
Bodenhydrologie im HITec
Gravimetrielabor gemessen.

Messprozesses der MSS. HiTec: Das Herzstück verbindet Eine sehr genaue Kalibrierung
Neben atmosphärischen Para- Geodäsie und Physik der Relativgravimeter ist not-
metern spielt auch die Syn- wendig und wird im MZG-
chronisation individueller Mit dem HITec wird das bishe- Hochhaus der LUH bestimmt,
Sensoren eine entscheidende rige Gravimeter-Kalibriersys- wo ein Gerät aufgrund des
Rolle. Für die korrekte Mess- tem grundlegend erweitert, großen Höhenunterschiedes
wertzuordnung ist eine von um zusätzlich zur Kalibrie- und der Fahrstühle äußerst
der jeweiligen Messfrequenz rung von Relativgravimetern effektiv und präzise kalibriert
und Bewegungscharakteristik auch das Messniveau von werden kann.
abhängige Synchronisations- transportablen Absolutgravi-
genauigkeit sicherzustellen, metern überprüfen zu können. Transportable Absolutgravi-
die in den Bereich von weni- Der Absolutschwerewert an ei- meter (Probanden) sollten im
gen Milli- und gar Mikrose- nem Messpunkt ändert sich Gravimetrielabor immer den
kunden geht. Bisher ist eine kontinuierlich aufgrund der gleichen Offset zur VLBAI-
echte Validierung und reale Gezeiten, der Atmosphäre und Auswertung aufzeigen, was
Simulation der Einflussgrößen der Hydrologie. Ein Absolut- die Langzeitwiederholbarkeit
nicht möglich – eine Heraus- gravimeter mit einer höheren kontrolliert. Dies ist für die
forderung die im Rahmen von Genauigkeit existiert bisher Umweltforschung wichtig, da-
HITec weltweit einmalig ange- nicht. Dieser Mangel wird zu- mit gemessene zeitliche Ände-
gangen wird. künftig mit dem Very Long rungen nicht durch variieren-
de Mess-Offsets der Absolut-
Abbildung 5 5 gravimeter verfälscht werden.
Neu installierte GNSS-Referenz-
station am HiTEC auf dem Dach Für den Bereich GNSS und Na-
des Einstein-Elevators. vigation steht ein Aussenraum-
labor auf dem Dach des HITec
mit drei präzise bestimmten
Messpfeilern zur Verfügung.
Zusätzlich besteht eine direkte
Anbindung an ein temperatur-
stabiles GNSS-Labor mit einem
stabilen Referenzfrequenzsig-
nal der Physikalisch-Techni-
schen Bundesanstalt (PTB).
Dies ermöglicht eine engere
Kooperation zur Kalibrierung
von GNSS-Empfängern. Wich-
tige Parameter wie Signal-, Fre-
quenz- und System-Biases für
GNSS-Ausrüstungen sind so-
mit unter kontrollierten Bedin-
gungen verifizierbar.

Auf dem Dach des Einstein-Ele-
vators ist eine GNSS-Referenz-

26

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

station installiert (Abbildung 5), über eine Raumhöhe von etwa zur Validierung im gesamten
die in regionalen und internati- 5 Metern, erlauben die Prüfung Laborgebäude zur Verfügung.
onalen Systemen eingebunden und Verifizierung atmosphäri- Die Ergebnisse dieser For-
ist und das Gebäude mit GNSS scher Einflüsse auf Messungen schungsarbeiten dienen der
Zeitsignalen versorgt. von Laserscanner und Lasertra- Optimierung und Beurteilung
cker. Eine geometrische Refe- der zukünftigen MSS-Entwick-
Für die Ingenieurgeodäsie ent- renz wird durch ein hochge- lung in Zusammenarbeit zwi-
steht eine weltweit einzigartige naues 3D-Referenznetz mit den schen der Geodäsie und Physik.
Laborumgebung, mit der Simu- schwingungsstabilen Messor-
lationen verschiedenster Um- ten im Labor realisiert. Für die Diese unvergleichbare Kon-
weltbedingungen für die Ent- Forschung im Bereich der Syn- zentration verschiedener
wicklung der MSS der nächsten chronisation durch externe Expertisen schafft optimale
Generation nun praktisch reali- Zeitsignale stehen verschiedene Voraussetzungen für die Bear-
siert werden können. Modulare Zeitreferenzen (unter anderem beitung interdisziplinärer,
Flächenheizelemente, verteilt aus dem GNSS-Labor des IfE) komplexer Fragestellungen.

IfE, Arbeitsgruppe terrestrische Gravimetrie:

Prof. Dr.­Ing. Jürgen Müller M.Sc. Manuel Schilling
Jahrgang 1962, ist Direktor Jahrgang 1977, ist wissen-
des Instituts für Erdmessung. schaftlicher Mitarbeiter am
Institut für Erdmessung.
Dr.­Ing. Ludger Timmen
Jahrgang 1962, ist wissen-
schaftlicher Mitarbeiter am
Institut für Erdmessung mit
Schwerpunkt Terrestrische
Gravimetrie in Forschung und
Lehre. Kontakt: [email protected]
uni-hannover.de

IfE, Arbeitsgruppe Navigation und Positionierung:

Dr.­Ing. Tobias Kersten Prof. Dr.­Ing. Steffen Schön
Jahrgang 1982, ist wissen- Jahrgang 1974, ist Leiter der
schaftlicher Koordinator am Arbeitsgruppe Positionierung
Institut für Erdmessung mit und Navigation sowie Spre-
dem Forschungsschwerpunkt cher des DFG Graduierten-
GPS/GNSS-Antennenkalibrie- kollegs I.C.Sens (GRK2159).
rung, Positionierung, Navigati-
on in Lehre und Forschung.
Kontakt: [email protected]
hannover.de

GIH, Arbeitsgruppe TLS­basierte Multi­Sensor­Systeme,
Ingenieurgeodäsie und geodätische Auswertemethoden:

Dr.­Ing. Jens­André Paffenholz Prof. Dr.­Ing. Ingo Neumann
Jahrgang 1981, ist Leiter der Jahrgang 1977, ist Instituts-
Arbeitsgruppe TLS-basierte leiter des Geodätischen
Multi-Sensor-Systeme Ingen- Instituts Hannover.
ieurgeodäsie und geodätische
Auswertemethoden mit den
Forschungsschwerpunkten La-
serscanning und Multi-Sensor-
Systeme in Forschung und Lehre.
Kontakt: [email protected]
hannover.de

27

LEIBNIZ UNIVERSITÄTSGESELLSCHAFT HANNOVER e.V.

Teil werden. Bildung fördern.
Zukunft gestalten.

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gesellschaft auch Teil der Universität und
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Lehrende.

• Wissenschaftliche Projekte
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wissenschaftlicher Leistungen
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Wilhelm-Busch-Straße 4, 30167 Hannover

Bei Fragen und Kontakt: 0511 762-19112
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Hiermit beantrage ich die Mitgliedschaft in der Leibniz SEPA-Lastschriftmandat (Typ: Wiederkehrende Zahlung)
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Unternehmen / Körperschaft Beruf / Tätigkeit Gläubiger-Identifikationsnummer der Leibniz Universitätsgesellschaft e.V.
Geburtsdatum PLZ / Ort Hannover: DE57ZZZ00001107847
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SSR, wie es z. B. bei QZSS-CLAS zum Einsatz kommt. Wir suchen Verstärkung für
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 Kenntnisse in GNSS, Geodäsie und/
und -Lösung
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Betreuung unserer Kunden
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 Systeminstallation und -konfiguration  Kontakt und kommunikationsstark

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tischen Filtern und auf verteilten Systemen.

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 Refactoring und Aktualisierung von
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HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

Vom All aus

EIN WELTRAUMBASIERTES LASERINTERFEROMETER VERMISST DAS ERDSCHWEREFELD

Einleitung 1
2
GRACE Follow-On ist eine gravi- Am Institut für Gravitations-
metrische Weltraummission, physik der Leibniz Universität
mit der anhand eines und Max-Planck-Institut für
Satellitenpaares das Erd- Gravitationsphysik (Albert-
schwerefeld vermessen wird. Einstein-Institut) beschäftigen
Die monatlichen Karten des sich Wissenschaftlerinnen
Erdschwerefelds, die aus den und Wissenschaftler mit der
Daten von GRACE konstruiert Detektion von Gravitations-
werden, haben sich als wichti- wellen. Das zugrunde liegen-
ges Werkzeug für Klima- und de Messprinzip ist die Laser-
Geowissenschaftler etabliert. interferometrie, die auf der
Ein Forschungsteam vom Erde bereits erfolgreich zum
Institut für Gravitationsphysik Nachweis der von Einstein
stellt die Entwicklung neuer vorhergesagten Kräuselungen
Sensoren für die Satelliten- der Raumzeit eingesetzt wur-
gravimetrie vor. de. Mit der Satellitenmission
LISA-Pathfinder wurden dar-
über hinaus die Grundlagen
für den zukünftigen Einsatz
von Laserinterferometrie zur
Gravitationswellendetektion
im Weltall geschaffen. Die
entwickelten Technologien
lassen sich aber auch hervor-
ragend auf andere Anwen-
dung übertragen, bei denen
hochpräzise Abstandsmessun-
gen benötigt werden wie zum
Beispiel die Vermessung des
Erdschwerefeldes.

Das Laser Ranging Interfero-
meter für GRACE Follow-On

Am 22. Mai 2018 ist das Satel- weile in Nord-Süd Richtung Monat die globale Abdeckung
litenpaar für die GRACE und mit etwa 220 km Abstand erreicht.
Follow-On Mission (siehe Abbil- zueinander den Erdball, wobei
dung 1) durch eine Falcon 9 Trä- die Erdrotation sicherstellt, GRACE Follow-On ist wie die
gerrakete von Kalifornien aus dass die Bahnen bezüglich der Vorgängermission GRACE
ins All befördert worden, um Erdoberfläche stets verschoben (Gravity Recovery and Climate
schon wenige Minuten später werden, sodass die Satelliten Experiment, 2002-2017) eine
den vorgesehenen Orbit in etwa bei jedem Umlauf unterschied- gravimetrische Mission, das
490 km Höhe zu erreichen. Bei- liche Gebiete überfliegen. Da- heißt es wird das Erdschwere-
de Satelliten umkreisen mittler- durch wird nach etwa einem feld vermessen. Dazu wird aus-

30

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

genutzt, dass räumliche und Mikrowellen-Abstandsmess- dung herstellen. Diese initiale Abbildung 1
zeitliche Änderungen im Erd- gerät auch ein neuartiges La- Ausrichtung des Systems ist Das Satellitentandem GRACE
schwerefeld auch Veränderun- ser Ranging Interferometer ein komplexes Unterfangen, Follow-On vermisst den Satelli-
gen im Satellitenabstand verur- (LRI), welches die Abstands- bei dem die Laserstrahlen bis tenabstand mit Lasern (in rot
sachen, welcher wiederum in- änderungen noch genauer auf etwa fünf Hundertstel dargestellt) und mit Mikrowellen
terferometrisch sehr genau mittels Licht vermessen soll Grad genau den entfernten (in blau dargestellt).
bestimmt werden kann (siehe (siehe Info-Kasten). Das LRI ist Satelliten treffen müssen. Ha- (Quelle: Erde: NASA »Blue Marble«,
Abbildung 2). Die Struktur des ein Gemeinschaftsprojekt ben Sie schon einmal ver- Satelliten: D. Schütze/AEI)
Erdschwerefeldes wird durch zwischen den USA und sucht, eine 1-Euro-Münze in
die Massenverteilung der Erde Deutschland und wurde auf 250 Meter Entfernung mit ei- Abbildung 2
und ihrer Atmosphäre vorgege- deutscher Seite unter Feder- nem Laserpointer zu treffen? Erste Messdaten des LRI bei ei-
ben. Die Massenverteilung ver- führung des Albert-Einstein- Die ersten vorläufigen Flug- nem Überflug der Himalaya-Re-
ändert sich, wenn zum Beispiel Institutes und der Leibniz daten des LRI deuten darauf- gion: Abstandsänderungen zwi-
Eismassen in Grönland ab- Universität Hannover und mit hin, dass die geforderte Auf- schen den Satelliten variieren um
schmelzen. Die monatlichen einer Vielzahl von Universi- lösungsgenauigkeit von +/- 30 Mikrometer (oberer Teil);
Karten des Erdschwerefelds, täts- und Industriepartnern 80 Nanometern in der Ab- das Höhenprofil unter den Satel-
die aus den Daten von GRACE entwickelt. Es ist nach LISA standsmessung sogar noch liten (mittlerer Teil); geogra-
konstruiert werden, haben sich Pathfinder das zweite welt- weit unterschritten werden phische Karte der Bodenspur
als wichtiges Werkzeug für Kli- raumbasierte Laser-Interfero- kann. Der Erfolg dieser Missi- (Flugbahn) (unterer Teil).
ma- und Geowissenschaftler meter, aber das erste zwischen on ist ein wichtiger Meilen- (Quelle: B. Knispel/G. Heinzel/Max
etabliert, sodass diese dringend zwei separaten Satelliten. stein auf dem Weg zu dem Planck Institute for Gravitational
auf eine Fortführung der Mes- von der ESA entwickelten Physics; GRACE FO data: NASA, GFZ,
sungen durch GRACE Follow- Das LRI wurde Mitte Juni ak- Weltraum-Gravitationswel- JPL; map data: SRTM)
On warten. tiviert und die beiden Interfe- lenobservatorium LISA, wel-
rometer-Einheiten konnten ches ebenfalls auf Laserinter-
Diese Nachfolgemission be- bereits nach dem ersten Such- ferometrie basieren, aber aus
sitzt neben dem bisherigen lauf eine optische Verbin- drei Satelliten bestehen wird.

Info-Kasten: Das Prinzip der laserinterferometrischen der Messung auf maximale Weglängenänderungen von einer Wel-
Abstandsmessung lenlänge limitiert, typischerweise etwa 1 Mikrometer, da sich bei
Vielfachen der Wellenlänge das Signal ununterscheidbar wiederholt.
Das Licht eines Lasers unterscheidet sich fundamental von Licht, Im gerade beschriebenen Fall spricht man von homodyner (altgr.:
wie wir es aus dem Alltag kennen. Der Schein der Sonne oder auch gleich bewegter) Interferometrie, da die Wellen von Mess- und Re-
der einer herkömmlichen Glühbirne besteht aus vielen Lichtwellen ferenzstrahl die gleiche Frequenz haben. Im Gegensatz dazu wird
mit unterschiedlichen Wellenlängen (Farben), die zu völlig zufälligen bei der Heterodyn-Interferometrie mit zwei verschiedenen Frequen-
Zeiten ausgesendet werden. Im Gegensatz dazu kann Laserlicht nur zen gearbeitet. Dadurch entsteht auf dem Signal am Photodektor
aus einer einzigen Wellenlänge bestehen. Außerdem sind die ver- eine Schwebung, ähnlich wie bei zwei Musikinstrumenten, die nicht
schiedenen Teile der Welle zueinander in Phase, sie werden also im- exakt gleich gestimmt sind. Das eigentliche Längensignal wird dabei
mer zu einem bestimmten Zeitpunkt und nicht zufällig angeregt. zunächst von der Schwebung maskiert, weshalb ein größerer tech-
Diese Eigenschaften ermöglichen es, dass die Berge und Täler zweier nischer Aufwand notwendig ist, um es zu extrahieren. Ebenso ist
Laserstrahlwellen sich gegenseitig verstärken oder abschwächen die Erzeugung und Kontrolle von zwei Laserfrequenzen mit einem
können. Dieser Effekt wird als Interferenz bezeichnet. Mehr an Technik verbunden. Der Vorteil ist allerdings, dass die abso-
lut messbare Abstandsänderung nicht mehr auf die Länge eines
Bei der laserinterferometrischen Abstandsmessung macht man sich Wellenzuges limitiert ist. Aus diesem Grund hat sich die Heterodyn-
dies zunutze. Im einfachsten Fall wird ein Laserstrahl an einem technik in der interferometrischen Längemessung bei Satellitenmis-
halbdurchlässigen Spiegel aufgeteilt. Eine Hälfte des Laserstrahls sionen durchgesetzt, da hier absolute Längeneänderungen im Be-
dient als Referenz, während die andere zum Objekt gesendet wird, reich von Metern bis Kilometern auftreten.
dessen Abstand gemessen werden soll. Die beiden Laufwege der
Strahlen werden Interferometer-Arme genannt. Der Messstrahl wird Abbildung
am Objekt (der sogenannten Testmasse) reflektiert und an einem
zweiten halbdurchlässigen Spiegel mit dem Referenzstrahl überla- Schematische
gert. Mithilfe eines Photodetektors misst man nun die Intensität
dieser Überlagerung. Ändert das Objekt seinen Abstand, wird da- Darstellung eines
durch die Weglänge, die der Messstrahl zurücklegen muss, geändert.
Dies führt dazu, dass sich die Berge und Täler der Lichtwelle relativ einfachen Laser-
zu denen des Referenzstrahls verschieben und somit die Intensität
auf dem Photodektor geändert wird. Durch eine Kallibration auf die interferometers.
Wellenlänge des Laserlichts lässt sich die Intensitätsänderung auf
eine Abstandsänderung zurückrechnen. Allerdings ist diese Form

31

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

Abbildung 3 Im Hinblick auf zukünftige weise auf der sogenannten frequency modulation, DFM).
Satellitenmissionen bieten die Heterodyn-Interferometrie Diese Technik erfordert einen
Optischer Aufbau des Labor- Labore im neuen HITec Ge- (siehe Info-Kasten). Diese er- komplexen Auslesealgorith-
experimentes mit einem Inter- bäude der Leibniz Universität möglicht es, Abstandsände- mus, vereinfacht den opti-
ferometer zur Messung von eine optimale Umgebung so- rungen auf langen Zeitskalen schen Aufbau des Interfero-
Bewegungen in sechs Freiheits- wohl für die Entwicklung von hochpräzise zu messen, wäh- meters jedoch erheblich, ohne
geraden. Links im Bild das Komponenten und Algorith- rend sich die Testobjekte über dabei die Vorteile der Hetero-
mechanische Rotations-Trans- men für die Laserausrichtung viele Wellenzüge (also viel dyn-Interferometrie aufzuge-
lation-System. im Weltraum als auch für wei- mehr als 1 Mikrometer) bewe- ben. Zur Signalerzeugung
(Quelle: V. Müller/AEI) tere Untersuchungen der der- gen. Wie die LISA Pathfinder wird der Laserstrahl in ein
zeit limitierenden Störfakto- Mission erstmals eindrucks- Interferometer mit ungleicher
ren mit dem Ziel, zukünftige voll bewiesen hat, erreichen Armlänge geschickt, da sich
Interferometer unempfindli- solche Interferometer im Welt- die Frequenzmodulation bei
cher für diese zu machen. raum Genauigkeiten, die mehr gleicher Armlänge von Mess-
und Referenzstrahl aufheben
3 als 100-mal unter der Größe würde. Gleichzeitig vermisst
eines Wasserstoffatoms liegen der längere Arm den Abstand
Beispielsweise wird derzeit (< 1 Pikometer). zur Testmasse. Mit derzeit er-
ein Laser-Interferometer ge- hältlichen Lasersystemen rei-
testet, welches die Bewegun- Zukünftige Experimente und chen bereits Armlängenunter-
gen von kommerziell verfüg- Missionen im Bereich der schiede von wenigen Zenti-
baren Rotations- und Transla- Geodäsie und Gravitations- metern aus. Dadurch können
tionsplattformen im Labor in physik möchten sich diese Ge- die Interferometer sehr kom-
allen sechs Freiheitsgeraden nauigkeiten zunutze machen pakt als sogenannte Messköp-
(drei Raumrichtungen und die und mehrere Testmassen und fe aufgebaut werden. Durch
drei Drehwinkel) präzise ver- deren Freiheitsgrade erfassen. die Installation mehrerer
messen soll (siehe Abbildung 3), Die Herausforderung liegt da- Messköpfe lassen sich die ver-
womit die sogenannte tilt-to- rin, solche Auslesesysteme schiedenen Freiheitsgrade ei-
length-Kopplung besser quan- kompakt und skalierbar zu nes Objekts auslesen. Zusätz-
tifiziert werden kann. Die machen, ohne an Genauigkeit lich wird ein einzelnes, stabi-
laerinterferometrische Mes- einzubüßen. Dies erfordert les Referenzinterferometer
sung von mehreren Freiheits- neben der Miniaturisierung benutzt, um die Frequenz-
geraden ist auch für neue Sen- der optischen Systeme, die schwankungen der Messköpfe
soren von Bedeutung, auf die Erforschung neuer Interfero- gegeneinander zu subtrahie-
in den folgenden beiden Ab- meter-Techniken, die im Ver- ren. Dieses Konzept wurde
schnitten näher eingegan- gleich zur Heterodyn-Interfe- 2015 gemeinsam mit dem Na-
gen wird. rometrie deutlich einfacher tional Institute of Standards
aufgebaut und somit besser and Technology (NIST) in
Kompakte optische skalierbar sind. Maryland, USA, entwickelt
Testmassen-Auslesung mittels und dort erstmals experimen-
tiefer Frequenzmodulation Hierfür wurde eine Technik tell untersucht.
entwickelt, bei der ein einzel-
Laserinterferometrie für Satel- ner Laserstrahl sehr stark Im Rahmen einer kürzlich an
litenmissionen wie GRACE (tief) in seiner Frequenz mo- der Leibniz Universität abge-
Follow-On, LISA Pathfinder duliert wird (engl. deep schlossenen Doktorarbeit
und LISA basiert typischer- wurde eine auf Prismen ba-
sierte Topologie für die Mess-
köpfe vorgeschlagen. Hierbei
wird das gesamte Interfero-
meter mittels einer einzigen
optischen Komponente reali-
siert (siehe Abbildung 4). Die
Genauigkeit der DFM Interfe-
rometrie in Kombination mit
solchen Prismen wurde er-
probt, indem zwei Interfero-
meter die Bewegung einer
gemeinsamen Testmasse (ein
bewegbarer Spiegel) verma-
ßen. Aus der Kombination
der Messsignale von den bei-
den Seiten des Spiegels kann

32

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

die Messgenauigkeit bestimmt Messung von Störkräften mit Vorhandensein weitaus stär-
werden. Ein stabiles Referen- Hilfe eines Torsionspendels kerer Kräfte, insbesondere der
zinterferometer wurde eben- Erdanziehungskraft. Im Ver-
falls entwickelt und vermes- Die satellitenbasierte laserin- gleich zu den Bedingungen
sen. Ähnlich wie bei LISA terferometrische Abstands- auf der Erde sind die Störun-
Pathfinder wurden für die Ex- messung zwischen Testmas- gen im All etwa 10 Größen-
perimente alle Komponenten sen zur Bestimmung von Gra- ordnungen kleiner. Ange-
auf eine thermisch stabile vitationsfeldern liefert die sichts der dominierenden Wir-
Glaskeramik aufgebracht. Die wissenschaftlich wertvollsten kung der Schwerkraft entlang
Komponenten wurden präzise Daten im sogenannten drag- der Vertikalen ist der beste
vorjustiert und mittels UV- free Modus. Dabei werden die Ansatz, solche winzigen Kräf-
Licht-härtendem Klebstoff Testmassen von allen Stör- te auf der Erde nachzuweisen,
fixiert (siehe Abbildung 5). Die kräften abgeschirmt und be- Freiheitsgrade in der horizon-
bisherigen Messungen zeigen, finden sich im freien Fall; sie talen Ebene auszunutzen.

4 Abbildung 4
Foto des optischen Aufbaus

und des auf dem Oszilloskop

beobachteten Signals eines

kompakten Interferometers

zur Auslesung einer Testmasse

von zwei Seiten mittels tiefer

Frequenzmodulation (Ausschnitt:

Messkopf mit Prisma von oben).

(Quelle: K.-S. Isleif/AEI)

dass diese kompakten Aus- sind »schwerelos«. Dazu müs- 5 Abbildung 5
leseverfahren durchaus ver- sen die Satelliten, innerhalb
gleichbare Genauigkeiten zur derer die Testmassen schwe- Im neuen HITec-Gebäude wird Foto eines Referenzinter-
konventionellen Heterodyn- ben, diesen folgen und durch dafür ein Torsionspendel ge- ferometers, welches in einer
Interferometrie erreichen sanften Schub die Kräfte, die baut, auch Dreh- oder Torsions- Mach-Zehner-Konfiguration
können. von außen auf sie einwirken, waage genannt. Ein Torsions- realisiert und mithilfe von
kompensieren, sodass die pendel ist das geeignetste UV-Licht-härtendem Klebstoff
In den HITec Laboren wird Testmassen stets zentriert Werkzeug, um »Schwerelosig- auf einer Glasplatte mit einem
diese optische Auslesetechnik bleiben. Im Vergleich zum keit« in der Horizontalen zu si- geringen thermischen Ausdeh-
nun in verschiedenen Experi- umgekehrten Modus, bei dem mulieren und erlaubt Messun- nungskoeffizienten fixiert
menten zur Anwendung ge- die Testmassen aktiv zentriert gen auf Femto-Newton-Niveau, wurde.
bracht und entsprechend wei- gehalten werden, ist der drag- wie sie für die Entwicklung (Quelle: K.-S. Isleif/AEI)
ter verbessert. Unter anderem free Modus experimentell an- und Erprobung neuartiger op-
werden noch kompaktere spruchsvoller. Die messbaren tischer Gravitationssensoren
Messköpfe entwickelt und Daten sind dafür aber auch und Komponenten für zukünf-
auch deren Anzahl soll erhöht frei von den Störungen, die tige drag-free Weltraummissio-
werden. Parallel dazu wird an bei der aktiven Kontrolle auf- nen erforderlich sind. Unser
den Auslesesystemen (soge- treten würden. Ziel ist es, eine extrem kraftar-
nannten Phasenmetern) und me Umgebung in der horizon-
den dafür relevanten Algo- Im Satelliten müssen die Test-
rithmen geforscht. Damit soll massen sorgfältig vor allen
der Weg geebnet werden, die- Störkräften wie etwa elektro-
se Techniken in zukünftigen statischen Oberflächeneffek-
Missionen zur Anwendung zu ten, Magnetfeldern oder Gas-
bringen. Allerdings sind viele dämpfungseffekten geschützt
weitere Untersuchungen not- werden. Im Labor ist die größ-
wendig, um ungewollte Stö- te Herausforderung bei der
reinflüsse zu minimieren und Entwicklung und Charakteri-
die Weltraum-Tauglichkeit zu sierung der Testmassen und
gewährleisten. deren Auslesesystemen das

33

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

Abbildung 6 6 se nahezu frei drehen. Zur
3D-Darstellung der Vakuum- hochpräzisen Messung dieser
kammer. Die Kammer besteht
aus einer Bodenplatte, einem Bewegungen sollen spezielle
zylindrischen Mittelteil und
einem Deckel mit Rohraufsatz Laserinterferometer und eine
zum Aufhängen der Torsions-
faser. Die Kammer hat zwei aktive Stabilisierung der Pen-
Türen und eine Vielzahl von
Anschlussmöglichkeiten. Diese delaufhängung und der Pen-
werden für die Installation von
Pumpen, Druckmessgeräten delschwingung entwickelt
und Durchführungen elektri-
scher und optischer Signale werden.
für den Betrieb der geplanten
Experimente benötigt. talen Ebene zu erreichen, so masse wird an einer 1 Meter Die Anforderungen an den ex-
dass wir die kleinen Störkräfte langen und 50 µm dünnen perimentellen Aufbau und die
Rechts: Prinzipskizze des auf Testmassen untersuchen Wolfram-Faser in einer Vaku- Laborumgebung sind dabei
Torsionspendels. Die dünne und rauscharme optische Sen- umkammer aufgehängt (siehe sehr hoch. Unter Anderem
Faser ist fest mit der Aufhän- soren, wie zum Beispiel die auf Abbildung 6). Anschließend wird eine gute mechanische
gung verbunden. Eine Test- DFM basierenden Messköpfe, misst man die durch Störkräf- und thermische Stabilität über
masse hängt am Ende der testen und weiterentwickeln te verursachte Drehung um mehrere Tage benötigt, verän-
Faser. Die Pendelmoden müs- können. die vertikale Achse. Bei ent- derliche Magnetfelder müssen
sen möglichst gut unterdrückt sprechender Materialauswahl abgeschirmt werden und der
werden, da sich das eigentliche Das Prinzip unseres Torsions- und Pendelkonstruktion kann Betrieb muss bei sehr geringem
Mess-Signal in der Drehmode pendels ist einfach. Eine Test- sich die aufgehängte Testmas- Druck (Vakuum von 10-8 bis
befindet. 10-9 mbar) stattfinden. Das neue
(Quelle: V. Händchen, M. Mehmet/AEI) HITec Labor bietet mit seinem
speziellen Fundament, kons-
tanten klimatischen Bedingun-
gen und einer Infrastruktur,
die das Auslagern von vibrie-
renden Geräten aus dem Labor
erlaubt, optimierte Bedingun-
gen für dieses Experiment.

Dr. Moritz Mehmet Dr. Katharina-Sophie Dr. Vitus Händchen Dr. Vitali Müller Dr. Oliver Gerberding
Jahrgang 1978, arbei- Isleif Jahrgang 1987, ist Jahrgang 1986, arbei- Jahrgang 1986, arbeitet
tet am MPI für Gravi- Postdoc in der Abtei- tete während und nach seit 2015 als Postdoc
tationsphysik (Albert- Jahrgang 1989, promo- lung Weltrauminter- seinem Physik-Studium am MPI für Gravitations-
Einstein-Intstitut). Sein vierte 2018 an der Leib- ferometrie am Institut an der Leibniz Univer- physik (Albert-Einstein-
Forschungsschwer- niz Universität und ar- für Gravitationsphysik. sität und am MPI für Intstitut) in der Abtei-
punkt ist die Entwick- beitet am Institut für Er arbeitet an der Rea- Gravitationsphysik lung Weltrauminter-
lung und Charakteri- Gravitationsphysik in lisierung einer hoch- (Albert-Einstein-Insti- ferometrie. Sein Arbeits-
sierung neuer Sensoren der Abteilung Weltraum- sensiblen Torsionswaage tut) für Gravitations- schwerpunkt liegt in der
für die interferometri- interferometrie. Ihre für die Charakterisie- physik in der Abteilung Erforschung neuer Inter-
sche Messung der Be- Forschungsschwerpunk- rung neuer interfero- Weltrauminterferome- ferometrie Techniken
wegung von Testmas- te sind die Miniaturisie- metrischer Sensoren. trie mit Schwerpunkt und in der Entwicklung
sen und die Erzeugung rung von Interferome- Kontakt: »gravimetrische Satel- kritischer Technologien
von gequetschtem tern, neue Interferome- [email protected] litenmissionen« wie für den weltraumbasier-
Licht für erdgebundene tertechniken und die mpg.de GRACE Follow-On. ten Gravitationswellen-
Gravitationswellende- Charakterisierung opti- Kontakt: detektor LISA.
tektoren. Kontakt: scher Phasenreferenzen [email protected] Kontakt:
[email protected] für LISA. Kontakt: mpg.de [email protected]
mpg.de [email protected] mpg.de
aei.mpg.de

34

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HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

Ultragenaue Taktgeber

OPTISCHE UHREN IN DER ANWENDUNG

Im HITec arbeiten Geodäten Einführung 1 zig, aber mit heutigen Uhren
und Physiker der Leibniz sind Höhenunterschiede von
Optische Atomuhren sind die von Höhenreferenzsystemen wenigen cm bereits messbar.
Universität Hannover (LUH) genausten Messinstrumente, und die Bestimmung von Hö- Dabei ist die erreichbare Hö-
zusammen mit Wissenschaft- die uns aktuell zur Verfügung henunterschieden, um bei- henauflösung unabhängig
lern der Physikalisch-Techni- stehen. Die besten heutigen spielsweise den Anstieg des vom Abstand zwischen den
Uhren haben eine relative Meeresspiegels oder langsa- Uhren und nur limitiert
schen Bundesanstalt (PTB) Gangungenauigkeit von weni- me Landanhebungen oder durch die Genauigkeit, mit
unter anderem daran, optische gen 10-18; damit würde die -absenkungen zu bestimmen. der die Uhren verglichen
Uhren und deren Vergleiche für Zeitdifferenz zwischen diesen Daher arbeiten im HITec Geo- werden können.
Anwendungen in der sogenann- Uhren nach 14 Milliarden Jah- däten und Physiker der Leib-
ten relativistischen Geodäsie ren – der Zeit vom Urknall bis niz Universität Hannover Für den Einsatz in der Geodä-
zu erschließen. Anhand dieser heute – weniger als eine Se- (LUH) zusammen mit Wis- sie müssen optische Uhren
kunde betragen. Eine berech- senschaftlern der Physika- noch »feldtauglich« werden:
neuen Technologien können tigte Frage drängt sich gerade- lisch-Technischen Bundesan- Das heißt, die fragilen Labor-
unter anderem postglaziale zu auf: Wer braucht überhaupt stalt (PTB) unter anderem da- aufbauten müssen transporta-
Anhebung von Landmassen so genaue Uhren? Diese ultra- ran, optische Uhren und bel und unempfindlich gegen-
oder der Anstieg des Meerwas- genauen Taktgeber finden un- deren Vergleiche für Anwen- über Umwelteinflüssen ge-
serspiegels vermessen werden. ter anderem Anwendungen dungen in der sogenannten macht werden, sodass Uhren
in der Grundlagenforschung relativistischen Geodäsie zu nach dem Transport an geodä-
wie zum Beispiel bei der Be- erschließen. Nach Albert Ein- tisch relevante Orte auch wie-
antwortung der Frage nach steins Relativitätstheorie ge- der funktionieren. Dafür sol-
dunkler Materie, deren Exis- hen Uhren in einem Gravitati- len zusammen mit anderen
tenz eine mögliche Erklärung onspotenzial (wie dem der HITec Wissenschaftlern bei-
für erstaunliche astrophysika- Erde) langsamer, als Uhren spielsweise spezielle miniatu-
lische Phänomene ist. Eine außerhalb eines solchen Po- risierte Komponenten für op-
Wechselwirkung mit »norma- tenzials. Mit einer relativen tische Uhren entwickelt und
ler« Materie würde zu einer Gangänderung von 10-16 pro getestet werden.
Verschiebung von Energieni- Meter Höhenunterschied ist
veaus in Atomen führen. Be- der Effekt auf der Erde win-
stimmte Modelle dunkler Ma-
terie sagen Oszillationen oder
Dichteunterschiede voraus,
die wir beim Durchflug der
Erde durch dunkle Materie
über einen sich ändernden
Gangunterschied zwischen
unterschiedlichen optischen
Uhren messen könnten.

Aber es gibt auch praktische
Anwendungen optischer Uh-
ren, die von der hohen Ge-
nauigkeit profitieren wie zum
Beispiel in der Geodäsie. Eine
der zentralen Aufgaben der
Geodäsie ist die Etablierung

36

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

Eine weitere Voraussetzung nen, werden Uhrenlaser meist lang kommerziell nicht ver- Abbildung 1
für die Anwendung in der re- auf optische Resonanzen von fügbare gehärtete Glasfasern
lativistischen Geodäsie ist die Spiegelresonatoren vorstabili- für ultra-violettes Licht für An der PTB entwickelter
hochpräzise Übertragung von siert. Dazu muss der Abstand diesen Einsatz entwickelt transportabler optischer
Frequenzen über große Dis- der Spiegel auf ein Zehntel werden. Eine enge Abstim- Resonator.
tanzen, um die Uhren mitein- des Durchmessers eines Pro- mung zwischen HITec Wis- Bild: PTB
ander vergleichen zu können. tons stabil gehalten werden! senschaftlern und den Uh-
Daher wird im HITec am Uh- Im HITec sollen daher ausge- ren-Experten der PTB stellt si-
renvergleich über Freistrahl- hend von an der PTB entwi- cher, dass die entsprechenden
strecken geforscht, die eines ckelten Resonator-Designs Komponenten direkt in exis-
Tages Uhrenvergleiche über (siehe Abbildung 1) transportab- tierenden beziehungsweise
Satellit und damit sogar über le Systeme entwickelt werden, im Aufbau befindlichen
Kontinente hinweg ermögli- die unempfindlich gegenüber transportablen optischen Uh-
chen könnten. störenden Vibrationen und ren zum Einsatz kommen.
Temperatureinflüssen sind Durch den im HITec erzielten
Darüber hinaus sollen im und deren intrinsische ther- Technologieschub in der Ent-
HITec auch anderen Forschern mische Restbewegung mög- wicklung optischer Uhren
hochgenaue Zeit- und Fre- lichst klein ist. Dazu wurden werden neue Anwendungen
quenzreferenzen zur Verfü- in einem der HITec Labore in der Geodäsie, wie die Ver-
gung gestellt werden. Dazu vom Rest des Gebäudes ge- messung der postglazialen
wird ein entsprechendes Sig- trennte Sockel gegossen, die Anhebung von Landmassen
nal, das über eine optische eine besonders schwingungs- oder der Anstieg des Meer-
Faser von der PTB in Braun- arme Umgebung für den Auf- wasserspiegels, erst möglich.
schweig ans HITec geliefert bau und die Charakterisie-
wird, dort mit höchster Quali- rung der optischen Resonato- Frequenz-Freistrahlübertragung
tät und Ausfallsicherheit in ren zur Verfügung stellen.
die Labors verteilt. Faser-gestützte Methoden zur
Für das Kühlen und Einfan- Frequenzübertragung ermög-
Miniaturisierte Komponenten gen der Atome sind komplexe lichen höchstpräzise Messun-
für optische Uhren optische Aufbauten mit vie- gen und Vergleichsexperi-
len schaltbaren und fein in mente über weite Strecken
Uhren basieren im Allgemei- ihrer Frequenz abstimmbaren quer durch Deutschland und
nen auf der Zählung von peri- Laserstrahlen notwendig. Europa. Aktuell werden dazu
odischen Vorgängen wie zum Diese Aufbauten müssen ty- meist konventionelle Glasfa-
Beispiel der Rotation der Erde pischerweise auf wenige Mi- sern eingesetzt, die mit spezi-
oder der Schwingung eines krometer genau über mehrere ellen Verstärkern ausgestattet
Quarzes. Optische Uhren nut- Meter Strahlweg stabil blei- einen störungsfreien Ver-
zen als Referenz schmalban- ben. Das sind große Heraus- gleich der Uhren auf einem
dige Übergänge zwischen forderungen an die thermi- Niveau von 10-18 und besser
zwei elektronischen Zustän- schen und mechanischen Ei- ermöglichen. Dieser Ansatz
den in gefangenen und mit genschaften des Aufbaus. Im ist jedoch auf Uhrenverglei-
Laserlicht gekühlten Atomen. HITec sollen in Zusammenar- che zwischen Standorten li-
Durch Abfragen des Über- beit mit Experten für derarti- mitiert, welche mit einer ent-
gangs mit einem Uhrenlaser ge Aufbauten am Institut für sprechenden hochwertigen bi-
kann die Frequenz des Lasers Quantenoptik und dem Al- direktionalen Faserverbin-
auf den Übergang stabilisiert bert-Einstein-Institut sowie dung verbunden sind. Insbe-
werden. Die Schwingungen den Glasfaser-Spezialisten sondere Frequenzvergleiche
des Lasers bei optischen Fre- vom Laser Zentrum Hanno- über Kontinente hinweg ge-
quenzen im Bereich von 500 ver kompakte sowie ther- stalten sich schwierig, da die
Billionen Schwingungen pro misch- und vibrations-un- in Unterseekabeln verbauten
Sekunde (500 THz) stellt den empfindliche optische Auf- Verstärker für den Uhrenver-
Ausgang der Uhr dar, der ent- bauten für Uhren realisiert gleich nicht geeignet sind.
weder gezählt oder mit ande- werden, die sogar Raketen- Eine Vielzahl an zukünftigen
ren Uhren verglichen werden starts überstehen. Dazu sol- Anwendungsmöglichkeiten
kann. Je frequenzstabiler und len neben der Miniaturisie- optischer Uhren, wie zum
schmalbandiger der Uhrenla- rung konventioneller Aufbau- Beispiel die relativistische
ser ist, desto kürzer ist die er- techniken auch Ansätze Geodäsie, erfordern hingegen
forderliche Mittelungszeit, um basierend auf Hydroxid-kata- Frequenzvergleiche zwischen
eine bestimmte Frequenzauf- lytischem Verbinden sowie weit entfernten, teilweise mo-
lösung zu erreichen. Um die Aufbauten ganz in Glasfasern bilen Stationen. Um diese An-
sehr schmalen optischen realisiert und getestet wer- wendungen erschließen zu
Übergänge abfragen zu kön- den. Weiterhin sollen hier bis- können, wären Satellitenge-

37

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

stützte Übertragungswege satz ist die Sichtbarkeit des sowie die Entwicklung von
ideal. Schon jetzt werden in- Satelliten bei schlechtem Wet- Strategien um Phasenfehler
ternationale Zeitskalen über ter und die durch Turbulen- von mehr als einem Radian
bidirektionale Hochfrequenz- zen hervorgerufenen optische aufgrund der großen Störun-
Verbindungen über Satelliten Weglängenänderungen. Da gen mit möglichst kurzer La-
etabliert. Aufgrund der im die meisten Turbulenzen in tenz zu kompensieren. Als
Vergleich zu Schwingungen den ersten 5 bis 10 km in der weiterer Schritt sollen opti-
bei optischen Frequenzen um Erdatmosphäre auftreten, sche Inter-Satelliten-Fre-
bis zu eine hunderttausend genügt es, horizontale Frei- quenzvergleiche für flexible
Mal langsameren Schwin- strahlstrecken mit dieser Dis- Feldstudien und interkonti-
gungsfrequenz dieser Verbin- tanz zu untersuchen. In den nentale Vergleiche realisiert
dungen ist die erreichbare speziell dafür ausgelegten werden.
Auflösung entsprechend ge- Dachlabors im HITec sollen
ringer und für den Vergleich optische Transponder entwi- Mit der Möglichkeit optische
Frequenz- und Zeitsignale
Abbildung 2 2 mit Satelliten auszutauschen,
eröffnen sich neue Möglich-
Illustration des optischen Frei- keiten jenseits der kontinent-
strahl-Frequenzvergleichs zwi- übergreifenden relativisti-
schen einer Bodenstation und schen Geodäsie. So wären
einem Satelliten. zum Beispiel optische Uhren
in Navigationssatelliten der
nächsten Generation mit hö-
herer Positionsgenauigkeit
denkbar. Synchronisierung
der Uhren in den Navigati-
onssatelliten durch direkte
optische Links würde zu ei-
ner höheren Ausfallsicherheit
führen, da nur noch spora-
disch Kontakt mit Bodenstati-
onen aufgenommen werden
müsste.

von optischen Uhren daher ckelt und für Freistrahlüber- Multi-Nutzer Frequenzver-
nicht adäquat. Einen Ausweg tragung eingesetzt werden. teilung zwischen PTB und HITec
bieten zukünftige bidirektio- Wichtige Forschungsfragestel-
nale optische Freistrahlver- lungen, die beantwortet wer- Neben Anwendungen in der
bindungen zwischen Boden- den sollen, sind das Mitfüh- relativistischen Geodäsie und
stationen und Satelliten (siehe ren des Laserstrahls bei nicht- der Navigation stellen hoch-
Abbildung 2). Ein offensichtli- geostationären Satelliten genaue Zeit- und Frequenz-
ches Problem bei diesem An- entlang der Satellitenbahn signale auch für andere Nut-
zer im HITec eine wertvolle
Abbildung 3 3 Ressource dar. So können bei-
spielsweise die Rauscheigen-
Schema der Frequenzverteilung schaften von Lasern und
im HITec. Oben: Verteilung einer optischen Resonatoren für
auf GNSS basierten standard Gravitationswellendetektoren
10 MHz Referenz für alle Labors. (s. Beitrag »Vom All aus« in
Unten: Transfer einer hochstabi- dieser Ausgabe) charakteri-
len optischen Referenz auf eine siert werden. Laser und Ra-
optisch generierte Radiofrequenz diofrequenzen mit überragen-
und optische Nutzerfrequenzen. den Kohärenzeigenschaften
werden in der Atominterfero-
metrie mit langer Basisline
(s. Beitrag »Der VLBAI-Test-
stand«) und der Quanten-
metrologie mit kalten Atomen
(s. Beitrag »Spukhafte Fern-
wirkung zwischen kalten
Atomen«) benötigt. HITec

38

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

Forschung an globalen Satel- nes sogenannten optischen tischen Referenz auf eine
litennavigationssystemen Frequenzkamms, den man qualitativ etwas schlechtere,
(Global Navigation Satellite sich als Meterstab im Fre- aber lokal verfügbare, Mikro-
System, GNSS) profitieren da- quenzraum vorstellen kann, wellen-Referenz implemen-
von, dass über eine präzise zu den benötigten Wellenlän- tiert werden. Neben der For-
Zeitreferenz der Uhrenfehler gen und Radiofrequenzen schung an der Verteilung op-
in den Satelliten-Signalen he- konvertiert. Eine wesentliche tischer Referenzen höchster
rausgerechnet werden kann. Forschungsaufgabe im HITec Güte sollen auch die Erzeu-
All diese Forschungsanwen- wird es sein, praktikable und gung und Verteilung von
dungen werden von einer in im Hinblick auf zukünftige besonders rauscharmen Ra-
Deutschland einzigartigen Anwendungen auch für die diofrequenzen im HITec un-
Infrastruktur bedient (siehe Industrie taugliche Multi- tersucht und ausgewählten
Abbildung 3): Die PTB in Nutzer-Verteilerkonzepte auf Labors zur Verfügung gestellt
Braunschweig liefert ein höchstem Qualitätsniveau werden. Dies ermöglicht neue
hochgenaues optisches Fre- und einer 24/7 Verfügbarkeit Anwendungen beispielswei-
quenzsignal bei 1.5 µm Wel- zu entwickeln. Daher sollen se in der Messtechnik und
lenlänge über stabilisierte auch Rückfallkonzepte, wie könnte zusammen mit Indus-
Glasfasern ans HITec. Dort zum Beispiel das automati- triepartnern kommerzialisiert
wird das Signal mit Hilfe ei- sche Umschalten von der op- werden.

Prof. Dr. Piet O. Schmidt Dr. Anna-Greta Paschke Dr. Harald Schnatz
Jahrgang 1970, ist seit 2009 Jahrgang 1985, studierte Jahrgang 1957, ist seit 2011
Professor für Experimental­ Physik an der Universität Leiter des Fachbereichs
physik an der Leibniz Universi­ Hamburg und promovierte Quantenoptik und Längen­
tät Hannover und Leiter des am Institut für Quantenoptik einheit an der Physikalisch­
QUEST­Instituts für Experi­ der Leibniz Universität Technischen Bundesanstalt
mentelle Quantenmetrologie Hannover, wo sie seit 2017 (PTB) in Braunschweig.
an der Physikalisch­Techni­ eine Arbeitsgruppe leitet. Kontakt: [email protected]
schen Bundesanstalt (PTB) in Kontakt: [email protected]­ ptb.de
Braunschweig. Seit 2016 ist hannover.de
er Sprecher des SFB 1227
DQ­mat. Seit 2017 ist er Mit­
glied im HITec­Vorstand und
Mitglied im Wissenschaftli­
chen Rat von QUANOMET.
Kontakt: [email protected]
quantummetrology.de

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39

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

Spukhafte Fernwirkung zwischen kalten Atomen

WIE VERSCHRÄNKTE ATOME PRÄZISIONSMESSUNGEN VERBESSERN

Quantenmechanisch korrelierte, Quantenmechanik entweder spin-up oder spin- se wiederum unabhängig von
also verschränkte Atome eröff- down. Führt man die Messung der Achse, entlang der die Spi-
nen vielfältige Anwendungen, Seit ihrer Entwicklung in den mit 10000 Atomen durch, so nausrichtung gemessen wird.
1920er und 1930er Jahren hat erhält man ungefähr je 5000 Es wird gleich offensichtlich,
insbesondere im Bereich der sich die Quantenmechanik als Atome mit spin-up und spin- dass durch solche verschränk-
Präzisionsmessungen. ein zuverlässiger Stützpfeiler down. Dies ist aber kein ge- ten Paare das Schrotrauschen
der modernen Physik erwie- naues Ergebnis: Auch bei unterboten werden kann, da
Am Institut für Quantenoptik sen. In der herkömmlichen 10000 Münzwürfen erhält die Messergebnisse zwar zu-
ist es erstmalig gelungen, die Physik konnten die physikali- man nicht genau 5000-mal fällig sind, aber zu jedem spin-
Verschränkung nicht nur inner- schen Grundgrößen beliebige, Kopf und Zahl, sondern ein up auf jeden Fall genau ein
halb einer Atomwolke, sondern kontinuierliche Werte anneh- leicht abweichendes Ergebnis. spin-down gehört. Im Folgen-
zwischen zwei räumlich ge- men. In der Quantenmecha- Die typische Abweichung ent- den wird beschrieben, wie mit
trennten Wolken nachzuweisen. nik sind bestimmte physikali- spricht dem so genannten der Hilfe verschränkter Ato-
Am HITec sollen solche ver- sche Größen aber „quanti- Schrotrauschen und ent- me Präzisionsmessungen ver-
schränkten Wolken nicht nur siert“ und können nur spricht der Quadratwurzel bessert werden können.
wenige Mikrometer, sondern bestimmte, diskrete Werte an- der Teilchenzahl, in unserem
meterweit aufgetrennt werden, nehmen, ganz so, wie man Fall also √ 10000 =100. Dieses Das Konzept der Verschrän-
um so Präzisionsmessungen der Wasser zwar in beliebigen sogenannte Quantenrauschen kung widerstrebt nicht nur
Gravitation entscheidend zu Mengen kaufen kann, aber kann im Gegensatz zu techni- unserer Lebenserfahrung,
Äpfel nur in Vielfachen eines schem Rauschen nicht unter- auch unter den Physikern
verbessern. einzelnen Apfels. drückt werden und stellt eine wurden die Konsequenzen
wesentliche Limitierung von lange diskutiert. Einstein dis-
Ein gutes Beispiel ist der Spin Präzisionsmessungen dar. kreditierte die Verschränkung
der Atome, den man sich wie als »spukhafte Fernwirkung«.
die Ausrichtung kleinster Ma- Verschränkung In einem berühmten Artikel
gnete vorstellen kann. In der gemeinsam mit Podolsky und
Quantenmechanik kann die Um das Konzept der Ver- Rosen1 betrachtete er zwei
Spinausrichtung entlang einer schränkung zu verstehen, muss räumlich getrennte, verschränk-
Achse nur diskrete Werte an- man zwei Atome betrachten. te Teilchen. Die Autoren stan-
nehmen, in der einfachsten Beide seien je in einem 50/50 den der quantenmechani-
Form nur nach oben (spin-up) Überlagerungszustand in schen Beschreibung skeptisch
und nach unten (spin-down). spin-up und spin-down, und gegenüber, da sie beweisen
Faszinierenderweise ist die ihre Messergebnisse entspre- konnten, dass dadurch bisher
Quantisierung immer gültig, chend zufällig. Sind die bei- unumstößliche Grundlagen
egal entlang welcher Achse den Atome nun aber ver- der Physik aufgegeben wer-
man sich entscheidet zu mes- schränkt, so legt sich der quan- den müssten.
sen. tenmechanische Zustand des
einen Atoms bereits durch In den letzten Jahrzehnten
Nun können nicht nur diese eine Messung des anderen konnte die Existenz der Ver-
beiden Orientierungen auftre- fest. Misst man beim ersten schränkung in vielen experi-
ten, sondern auch anteilige Atom also spin-up, so weiß mentellen Realisierungen be-
Überlagerungen, zum Beispiel man mit Sicherheit, dass das wiesen werden und damit
50 Prozent spin-up und 50 Pro- andere Atom im Zustand Einsteins Skepsis weitgehend
zent spin-down. Führt man spin-down ist. Bei einem ver- widerlegt werden. Verschrän-
nun eine Messung der Spin- schränkten Atompaar ist diese kung ist heute vielmehr ein
ausrichtung durch, so erhält Korrelation der Messergebnis- wertvolles Werkzeug, um ein-
man ein zufälliges Resultat, zigartige Anwendungen zu

40

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

erschließen. So können damit und mithilfe einer Hochfre- getrennt werden. Sind sie in
sogenannte Quantencomputer quenz oder einer optischen verschiedenen Höhen des Gra-
gebaut werden, die funda- Frequenz in einen 50/50-Über- vitationspotentials, kann die
mental besser als herkömmli- lagerungszustand gebracht. Gravitation gemessen wer-
che Computer sind. Außerdem Nach einer Wartezeit wird der den, haben sie unterschiedli-
können Informationsüberta- Vorgang invertiert. Für eine che Geschwindigkeiten, kön-
gungen mit nahezu perfekter sehr kurze Wartezeit kehren nen Beschleunigung oder
Sicherheit ermöglicht werden. die Atome daher in den ur- Rotation bestimmt werden
Verschränkte Modellsysteme sprünglichen Spinzustand zu- ( Artikel 2). Aber all diesen
können verwendet werden, rück. Ansonsten hängt das Er- Messungen ist gemein, dass
um damit andere, bisher un- gebnis vom Produkt aus der die bestmögliche Präzision
verstandene physikalische Wartezeit und dem Energie- der Messungen durch das
Systeme zu simulieren. Des unterschied der beiden Zu- Schrotrauschen limitiert ist.
Weiteren, und dies ist das stände ab. Somit kann man Die Schrotrauschgrenze kann

1 Abbildung 1
Funktionsweise eines Atominter-

ferometers. Ein Atom wird in ei-

nen Überlagerungszustand aus

spin-up und spin-down gebracht.

Während der Wartezeit ist das

Atom sensitiv auf die zu messen-

de Größe. Abhängig von deren

Wert ändert sich das Verhältnis

am Ausgang.

Thema dieses Artikels, ermög- mit einer Messung des pro- nur durch die Verwendung
licht die Verschränkung Präzi- zentualen Anteils in den bei- verschränkter Atome über-
sionsmessungen mit besserer den Zuständen entweder die wunden werden.
Auflösung, da das Schrotrau- Zeit oder den Energieunter-
schen alle Messungen ohne schied bestimmen, wenn das Erzeugung verschränkter
Verschränkung fundamental jeweils andere bekannt ist. Atome
limitiert. Aus diesem Grund Unsere Einheit der Zeit, die
hat sich die Europäische Uni- Sekunde, ist definiert über ei- Es ist daher nicht verwunder-
on entschieden, im Rahmen nen gegebenen Energieunter- lich, dass in mehreren Grup-
ihrer Quantum Technologies-In- schied zwischen zwei Spinzu- pen weltweit an der Erzeu-
itiative eine Milliarde Euro in ständen im Cäsiumatom, der gung verschränkter Atome
die Entwicklung von Grund- dann eine präzise Messung geforscht wird 2. Das Institut
lagen und Anwendungen von der Zeit erlaubt ( Artikel 8). für Quantenoptik ist dabei
Verschränkung und ähnlichen Dies ist das Grundprinzip al- auf ultrakalte Atome in soge-
Quantentechnologien zu in- ler Atomuhren, die derzeit die nannten Bose-Einstein-Kon-
vestieren. Basis unserer Weltzeit darstel- densaten spezialisiert. In Bo-
len. se-Einstein-Kondensaten sind
Atominterferometrie und die Atome so kalt, dass sie un-
Verschränkung Ist die Wartezeit im Atomin- unterscheidbar werden: am
terferometer ausreichend ge- selben Ort, im selben quan-
Atome mit zwei Spinzustän- nau bekannt, kann auch der tenmechanischen Zustand,
den können für Präzisions- Energieabstand bestimmt ganz wie die Lichtteilchen in
messungen genutzt werden. werden. Hängt dieser beispiel- einem Laser ununterscheid-
In solchen Atominterferome- weise vom Magnetfeld ab, so bar sind. Die Atome werden
tern (siehe Abbildung 1) werden kann auf diese Weise das Ma- innerhalb eines Vakuumsys-
die Atome in einem der bei- gnetfeld bestimmt werden. tems in einer wenige Mikro-
den Spinzustände präpariert Alternativ können die beiden meter großen Wolke in einem
Spinzustände auch räumlich

41

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

Abbildung 2 2
a Die Atome werden im Fokus von
zwei Laserstrahlen festgehalten.
Hier können sie stoßen und Paare von
Atomen mit spin-up (Pfeil nach oben)
und spin-down (Pfeil nach unten) er-
zeugen. Sie werden hier in einer an-
geregten räumlichen Mode erzeugt,
sodass sich die Wolke in einen linken
(blau) und einen rechten (rot) Teil
trennt.
b Gemessenes Dichteprofil der Atom-
wolke, die sich klar in links und rechts
aufteilt. Die Verbindungslinien sym-
bolisieren die Verschränkung zwi-
schen den Atomen.

solchen Bose-Einstein-Kon- schränkung profitiert 4. Nichts- Atom gemessen werden, ob
densat präpariert und im Fo- destotrotz waren alle diese es rechts oder links und ob es
kus von zwei Laserstrahlen Ergebnisse auf interne Spin- spin-up oder spin-down war.
festgehalten (siehe Abbildung zustände beschränkt, ein Nach- Diese Messergebnisse konn-
2a). Nun können je zwei Ato- weis der Verschränkung zwi- ten dann mit einem Kriterium
me in der Wolke aneinander schen räumlich getrennten verglichen werden, das ge-
stoßen und so in ein Atom- atomaren Wolken war bisher meinsam mit theoretischen
paar in den beiden gewünsch- nicht gelungen. Aber nur räum- Physikern in Bilbao speziell
ten spin-up und spin-down Zu- lich getrennte, verschränkte entwickelt worden war. Die-
ständen übergehen. Aufgrund Atome können für eine ver- ses Kriterium konnte nun ver-
der Energieerhaltung muss zu besserte Messung der Gravi- wendet werden, um zweifels-
jedem spin-up-Atom auch im- tation, der Beschleunigung frei nachzuweisen, dass die
mer ein spin-down-Atom gene- und der Rotation genutzt Atome in der linken Wolke
riert werden. So können ato- werden. mit den Atomen der rechten
mare Wolken mit exakt der Wolke verschränkt sein müs-
gleichen Anzahl von spin-up Aktuell ist es am Institut für sen. Die linke Wolke hat also
und spin-down-Atomen er- Quantenoptik erstmalig ge- tatsächlich eine spukhafte
zeugt werden – ein sogenann- lungen, den erzeugten Twin- Fernwirkung auf die rechte
ter Twin-Fock-Zustand. Da die Fock-Zustand in zwei räum- Wolke. Parallel zu den Arbei-
Atome ununterscheidbar lich getrennte Wolken aufzu- ten in Hannover wurden ent-
sind, muss eine solche Wolke teilen und die Verschränkung sprechende Ergebnisse mit an-
aus miteinander verschränk- zwischen den beiden Wolken deren Methoden durch Ar-
ten Atomen bestehen. direkt nachzuweisen 5. Dazu beitsgruppen in Heidelberg
wurden die verschränkten und Basel erzielt. Alle drei Ar-
Im Jahr 2011 konnte am Insti- Atome in einem angeregten beiten wurden gemeinsam im
tut für Quantenoptik bewie- räumlichen Zustand erzeugt. renommierten Wissenschafts-
sen werden, dass der erzeug- Das bedeutet, dass die Atome journal Science publiziert 5-7.
te Zustand tatsächlich ver- in einer zweigeteilten Wolke
schränkt ist, und dass er für präpariert wurden (siehe Abbil- Zukunft in HITec
die Präzisionsinterferometrie dung 2b). Hier wiederum ist je-
jenseits der Schrotrauschgren- des Atom in beiden Wolken – In der Zukunft sollen die ver-
ze tatsächlich geeignet ist 3. zu je 50 Prozent in der rechten schränkten Wolken noch viel
Mit derselben Verschrän- und in der linken Wolke. Erst weiter räumlich separiert wer-
kungserzeugung gelang 2016 durch eine Messung wird den. In HITec existiert im Very-
in Hannover die Demonstra- dann festgelegt, in welcher Long Baseline Atom Interferome-
tion einer prototypischen Wolke das Atom tatsächlich ter (VLBAI  Artikel 2) die
Atomuhr, die von der Ver- ist. Nun konnte bei jedem

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HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

Möglichkeit, die Verschrän- Apl. Prof. Dr. Carsten Klempt Prof. Dr. Wolfgang Ertmer
kung auch auf riesigen Ab- Jahrgang 1976, ist seit 2016 Jahrgang 1949, ist seit 1994
ständen auf der Meterskala außerplanmäßiger Professor Professor für Physik an der
herzustellen. Dazu werden die an der Leibniz Universität Leibniz Universität Hannover.
Atomwolken im freien Fall in Hannover. Seit 2016 ist er Von 1997 bis 2009 war er
einer 10 Meter hohen Vaku- ebenfalls Mitglied des Vor- Sprecher des SFB 407 »Quan-
umröhre mit Laserstrahlen stands des Sonderforschungs- tenlimitierte Meßprozesse mit
aufgeteilt und wieder zusam- bereichs 1227 »Designed Atomen, Molekülen und Pho-
mengeführt. Dies ermöglicht quan-tum states of matter« tonen«, von 2007 bis 2014 war
neuartige Tests, die überprü- (DQ-mat). Seine Forschungs- er Sprecher des Exzellenz
fen können, ob die Quanten- interessen liegen im Bereich Clusters »Quantum Enginee-
mechanik auch für solch mak- der Quanten-Atomoptik, der ring and Space-Time Research«
roskopische Objekte gültig ist. Atominterferometrie, und der (QUEST). Seit Gründung ist er
Außerdem können die ver- Ultrakalten Quantengase. Sprecher des HITec-Vorstands.
schränkten Atome in Zukunft Kontakt: [email protected] Kontakt: [email protected]
eingesetzt werden, um die ge- hannover.de hannover.de
planten Präzisionsmessungen
am VLBAI noch genauer zu
machen. Eine wichtige An-
wendung in der Zukunft wird
die mögliche Detektion von
Gravitationswellen mit atoma-
ren Interferometern. So könn-
te Einsteins spukhafte Fern-
wirkung dazu beitragen, die
von ihm vorhergesagten Gra-
vitationswellen noch besser
zu detektieren.

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HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

Die Vermessung der Erde

NEUE METHODEN ZUR BEOBACHTUNG VON MASSENVARIATIONEN

An den Fakultäten für Bauin- Das Schwerefeld der Erde stellt 1 zwischen Testmassen in ei­
genieurwesen und Geodäsie eine der wichtigsten Bezugs­ nem Satelliten entwickelt wer­
und für Mathematik und Physik größen für die globale Positio­ Meeresspiegelvariationen den. Hier profitiert man von
angesiedelt, nutzt der Sonder- nierung und zur Überwa­ oder Änderungen im Grund­ der Grundlagenforschung am
forschungsbereich (SFB) 1128 chung von gravimetrischen wasser verursacht werden. Albert­Einstein­Institut (AEI)
Prozessen im System Erde dar. Damit stehen der Klima­ und im Zusammenhang mit der
»Relativistische Geodäsie Jedes Messinstrument, das Erdsystemforschung ganz Gravitationswellendetektion.
und Gravimetrie mit zum Beispiel mithilfe einer Li­ neue Methoden und Beobach­
belle (Hilfsmittel zum Hori­ tungsgrößen zur Verfügung. Das regionale und lokale
Quantensensoren« (geo-Q) die zontieren von Geräten ähnlich Schwerefeldbestimmung mit Schwerefeld kann mit terrest­
Grundlagen der Quantenphysik, einer Wasserwage) senkrecht Quantensensoren rischen gravimetrischen
um neue Beobachtungsverfah- aufgestellt wird, richtet sich Im Sonderforschungsberei­ Messmethoden erfasst wer­
automatisch nach der Lotlinie ches geo­Q werden Verfahren den. Neuartige Gravimeter,
ren und Instrumente für auf das Schwerefeld aus. Als entwickelt, um das Schwere­ Quanten­Gravimeter, nutzen
geodätische Anwendungen zu Referenzfläche wird dabei das feld der Erde auf nahezu allen die Atominterferometrie, um
entwickeln. Ein großer Teil der sogenannte Geoid definiert, räumlichen und zeitlichen punktweise Schwerewerte zu
Technologie-Entwicklungen eine Fläche konstanten Schwe­ Skalen noch besser erfassen bestimmen. Damit lassen sich
wird nun in den HITec-Laboren repotenzials (Äquipotenzial­ zu können. Globale Schwere­ schnell kleinräumige Massen­
fläche). Das Geoid entspricht feldinformationen werden aus variationen, zum Beispiel im
vorangetrieben. etwa der mittleren Meeres­ Satellitenmessungen abgelei­ Grundwasser, beobachten.
oberfläche in Ruhe, die man tet, wozu optische Methoden Präzise optische Uhren kön­
sich gedanklich unter den (Stichwort Laserinterferome­ nen im Sinne der relativisti­
Kontinenten fortgesetzt vor­ trie) zur Abstandsmessung schen Geodäsie (siehe unten)
stellen kann. Praktisch konnte zwischen Satelliten oder auch genutzt werden, um die ter­
diese Fläche bisher nicht direkt
beobachtet werden, sondern
das Geoid wurde indirekt aus
Satellitenbeobachtungen und
terrestrischen Messungen mit
Gravimetern abgeleitet. Trotz­
dem stellt es die wichtigste
Bezugsfläche für alle Arten
von Höhensystemen dar, da
Äquipotenzialflächen eindeu­
tig definieren, in welche Rich­
tung Wasser fließt. Die globale
Vereinheitlichung existieren­
der Höhensysteme stellt eine
der größten Herausforderun­
gen der modernen Geodäsie
dar. In den letzten Jahrzehn­
ten konnten mithilfe immer
besserer Verfahren auch zeit­
liche Variationen des Schwere­
feldes bestimmt werden, die
etwa durch das Abschmelzen
kontinentaler Eismassen, durch

44

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

restrische Schwerefeldbestim­ der Messwerte aufgrund der vergleichsweise groß und auf­ Abbildung 1
mung zu unterstützen. Vor al­ Ermüdung der Materialien. wendig zu transportieren, je­ Schematische Darstellung der
lem dienen sie aber dazu, phy­ Ein radikal neuer Ansatz sind doch wurde innerhalb des Eckpfeiler des Sonderforschungs-
sikalische Höhen und das Quantengravimeter, bei denen Forschungsvorhabens bereits bereichs geo-Q: Atom- und
Geoid über große Entfernun­ fallende Atomwolken statt gezeigt, dass mithilfe von Laserinterferometrie sowie Uhren
gen abzuleiten. dem Fall einer großen Test­ Atomchips eine Miniaturisie­ erlauben eine genaue Messung
masse analysiert werden. Um rung möglich ist. Zukünftige des Erdschwerefeldes.
Optische Uhren, Atom­ und ein homogenes und vor allem Instrumente können also sehr
Laserinterferometrie sind drei präzise messbares Objekt zu viel kleiner ausfallen und sind Abbildung 2
Komponenten der Quantenme­ haben, muss eine solche damit leicht zu transportieren Messkopf des transportablen
trologie, die in HITec weiter er­ Atomwolke auf unter einen und billiger zu produzieren. Quantengravimeters QG-1:
forscht werden und die Eck­ mikro­Kelvin über dem abso­ Der besondere Vorteil ist hier­ Zu sehen ist das Vakuumsystem,
pfeiler des Sonderforschungs­ luten Nullpunkt herunterge­ bei, dass diese Instrumente in dem Bose-Einstein-Kondensate
bereichs geo­Q bilden. kühlt werden – es entsteht ein driftfrei sind, da keine mecha­ erzeugt werden, um das Schwere-
nische Ermüdung mehr ein­ feld der Erde zu messen.
2 treten kann. Mit diesen Inst­
rumenten lassen sich völlig
neue gravimetrische Mess­
konzepte realisieren.

Relativistische Geodäsie mit
optischen Atomuhren

Albert Einstein postulierte mit
seiner Allgemeinen Relativi­
tätstheorie, dass Uhren unter­
schiedlich schnell ticken, ab­
hängig vom Abstand zu gro­
ßen Massen. Uhren an der
Erdoberfläche laufen langsa­
mer als Uhren, die weiter ent­
fernt sind. Man kann also aus
dem Gangunterschied zweier
hoch­präziser Uhren die Hö­
hendifferenz ermitteln. Diese
Methode der »relativistischen
Geodäsie« bietet neue Mög­
lichkeiten der Höhen­ und
Schwerefeldbestimmung. Sie
erfordert aber hochpräzise
Atomuhren, die durch Glasfa­
serkabel miteinander verbun­
den sind. Ein Höhenunter­
schied von einem 1 cm ent­
spricht dabei einem relativen
Frequenzunterschied zweier
Uhren von 10­18. Das Verfahren
wird auch als chronometri­
sches Nivellement bezeichnet.

Quantengravimetrie sogenanntes Bose­Einstein­ Optische Atomuhren sind
Kondensat. Das Quantengra­ hochkomplizierte Apparatu­
Klassische Gravimeter sind vimeter QG­1 ist der Prototyp ren und waren bislang nur in
durch ihre mechanischen eines solchen Instruments den Laboren einiger großer
Komponenten begrenzt und und wird zurzeit am Institut Forschungsinstitute zu finden.
unterliegen Fehlereinflüssen, für Quantenoptik entwickelt. Die transportable optische
wie zum Beispiel einer Drift Noch sind die Instrumente Strontiumuhr der Physika­
lisch­Technischen Bundesan­
stalt (PTB, PD Dr. Christian
Lisdat) eröffnet jetzt erstmals
die Möglichkeit für Messun­
gen »im Feld«.

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HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

Abbildung 3 3 Die neuen optischen Uhren
haben somit das Potenzial,
Der transportable Messcontainer geodätische Höhenmessungen
der PTB und ein Blick in das zu revolutionieren und einige
Innenleben des Containers: Die Beschränkungen der traditio­
optische Uhr ist mittig auf dem nellen geodätischen Techni­
Messtisch zu sehen. ken zu überwinden. Vor allem
Foto: PD Dr. Christian Lisdat (PTB) für die Etablierung eines welt­
weit einheitlichen Höhenrefe­
renzsystems eröffnet die Me­
thode ganz neue Möglichkei­
ten. Um die transportablen
optischen Uhren tatsächlich
in der Praxis einzusetzen,
müssen sie allerdings noch
die gewünschte Genauigkeit
von 1 cm im Feldeinsatz er­
reichen.

Abstandsmessungen zwischen
Satelliten mittels
Laserinterferometrie

Für eine Messkampagne, die einer zweiten Uhr im 90 Kilo­ Quantengravimeter und opti­
von Experten aus England, meter entfernten Turin. Par­ sche Uhren erlauben es, lokale
Italien und Deutschland allel wurde die Gravitations­ Messungen durchzuführen.
durchgeführt wurde, ist die potenzialdifferenz zwischen Um aber ein globales Bild des
Strontiumuhr ins Modane den Uhren mit konventionel­ Schwerefeldes und seiner zeit­
Underground Laboratory len geodätischen Messmetho­ lichen Variationen zu bekom­
im Fréjus­Tunnel zwischen den bestimmt. Die Auswer­ men, bedarf es Satellitenmes­
Frankreich und Italien ge­ tung zeigte, dass die Ergeb­ sungen. Das Prinzip ist dabei
fahren worden. Dort maß nisse beider Messungen recht einfach: Zwei Satelliten
das Team die Differenz der konsistent waren – ein Mei­ bewegen sich im freien Fall im
Gravitationspotenziale zwi­ lenstein in der Entwicklung Schwerefeld der Erde. Durch
schen dem Standort der Uhr transportabler optischer Uh­ dessen räumliche und zeitli­
im Inneren des Berges und ren. che Variationen ändern die
beiden Satelliten kontinuier­
Abbildung 4 4 lich ihren Abstand. Misst man
nun diese Abstandsänderung,
Abstandsvariationen aufgrund kann man das Schwerefeld ab­
der Massenanziehung des Hima- leiten. Die Genauigkeit der
layagebirges (oben), die Topo- Abstandsmessung bestimmt
graphie und die Bodenspur des dabei die Qualität des berech­
Satelliten im Bild unten. neten Schwerefeldes – je ge­
Foto: aus der Pressemitteilung des nauer die Messung zwischen
Albert-Einstein-Institut Hannover den Satelliten, desto hochauf­
vom 2. Juli 2018 lösender und zuverlässiger ist
die Bestimmung.

Das Prinzip wurde mit der
Satellitenmission GRACE im
Jahr 2002 erstmals umgesetzt,
damals noch mit einem Mik­
rowellenmessgerät zur Ab­
standsmessung, mit dem man
eine Genauigkeit von etwa
10 µm erreichte. Für die Nach­
folgemission GRACE Follow­
On wurde vom Albert­Ein­
stein­Institut Hannover ein
Laserinterferometer – kurz
LRI (Laser Ranging Interfero­

46

HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

meter) genannt – entwickelt, Zukunft klassische Instru­ Dr. Matthias Weigelt Prof. Dr.-Ing. Jürgen Müller
das bei dieser Mission noch mente ersetzen werden. Im Jahrgang 1976, ist seit 2016 Jahrgang 1962, ist Direktor
zusätzlich zur bestehenden HITec­Gebäude werden dazu am Institut für Erdmessung des Instituts für Erdmessung
Mikrowellentechnologie ein­ wichtige Komponenten ent­ und einer der beiden Ge­ und Sprecher des Sonderfor­
gesetzt wird. Das System soll wickelt. Gleichzeitig erschlie­ schäftsführer des Sonderfor­ schungsbereichs 1128 – Relati­
so zunächst auf seine Weltall­ ßen sich durch die gesteigerte schungsbereichs 1128 – Rela­ vistische Geodäsie und Gravi­
tauglichkeit getestet werden. Genauigkeit neue Anwen­ tivistische Geodäsie und Gra­ metrie mit Quantensensoren
Die Satelliten wurden am 22. dungsfelder, zum Beispiel bei vimetrie mit Quantensensoren (geo­Q). Seine Forschungsin­
Mai 2018 erfolgreich gestartet der Bestimmung und Über­ (geo­Q). Seine Forschungsin­ teressen liegen in der terrest­
und seit dem 14. Juni 2018 lie­ wachung von Massenvariati­ teressen liegen in der globalen rischen und Satelliten­basier­
fert das LRI Messdaten von onen als zentrale Indikatoren zeitvariablen Schwerefeldbe­ ten Gravimetrie, insbesondere
hervorragender Qualität. Ge­ des Klimawandels und als stimmung und der Kombina­ in der Entwicklung neuer
genüber der Mikrowellentech­ Grundlage für das Ressour­ tion von satellitengestützten Konzepte zur gravimetrischen
nologie wird eine Genauig­ cenmanagement. Die Res­ und terrestrischen Beobach­ Erdbeobachtung. Ein weiterer
keitssteigerung um den Faktor source Wasser wird in Zu­ tungen. Kontakt: [email protected] Schwerpunkt umfasst die Ana­
10 erwartet (also im sub­µm­ kunft eine immer wichtigere uni­hannover.de lyse von Lasermessungen zum
Bereich für Abstände von Rolle einnehmen, da durch Mond zum Test der Allgemei­
200 km). Sollte das System extensiven Wasserverbrauch Dr. Fumiko Kawazoe nen Relativitätstheorie.
seine Zuverlässigkeit bewei­ die natürlichen Speicher im­ Jahrgang 1980, ist seit 2010 Kontakt: [email protected]­
sen, wird es bei allen zukünf­ mer stärker unter Druck gera­ am Institut für Gravitations­ hannover.de
tigen Schwerefeldmissionen ten. Profiteur der neuen Tech­ physik und eine der beiden
zum Einsatz kommen. nologien sind somit alle Be­ Geschäftsführerinnen des Prof. Dr. Karsten Danzmann
reiche unserer Gesellschaft, Sonderforschungsbereichs Jahrgang 1955, ist Direktor
Zur Bestimmung der zeitli­ da ein besseres Wasserma­ 1128 – Relativistische Geo­ des Instituts für Gravitations­
chen Variationen des Schwere­ nagement sowohl eine bes­ däsie und Gravimetrie mit physik und Stellvertretender
feldes der Erde werden Mess­ sere Planbarkeit für die Land­ Quantensensoren (geo­Q). Sprecher des Sonderfor­
daten eines Monats gesam­ wirtschaft und die Industrie Ihre Interessen liegen in der schungsbereichs 1128 –
melt und ausgewertet. So bedeutet als auch einen scho­ Laserinterferometrie und der Relativistische Geodäsie und
erhält man monatliche Karten nenden Umgang mit der Na­ modernen Ausbildung von Gravimetrie mit Quantensen­
des Erdschwerefeldes, die sich tur und Umwelt ermöglicht. Doktoranden. Kontakt: soren (geo­Q). Seine For­
besonders eignen, um die Der Forschungsverbund [email protected] schungsinteressen liegen in
Wasserressourcen zu verfol­ geo­Q ist ein gelungenes Bei­ der laserinterferometrischen
gen, das Abschmelzen der Eis­ spiel für die fächerübergrei­ Abstandsmessung und ihrer
massen der alpinen Gletscher fende Zusammenarbeit zwi­ Anwendung in der Gravitations­
und der polaren Eisschilde zu schen der Physik und der wellenastronomie und Geo­
studieren und deren Beitrag Geodäsie an der Leibniz Uni­ däsie. Kontakt: karsten.
zum Meeresspiegelanstieg versität Hannover. Die Grund­ [email protected]
quantifizieren. Tatsächlich ist lagenforschung der Physik
es momentan die einzige Me­ wird dabei direkt in die pra­
thode, um global den Grund­ xisnahe Anwendung der
wasserspiegel bestimmen zu Geodäsie überführt. Das stellt
können. Mithilfe solcher Mes­ den Idealfall moderner For­
sungen konnte das massive schung dar.
Absinken des Grundwasser­
spiegels in Nordwestindien
und das Abschmelzen des
Grönland­Eises registriert
werden.

Fazit/Ausblick

Die Quantenmetrologie ist
momentan dabei, die Beo­
bachtungsverfahren der phy­
sikalischen Geodäsie zu revo­
lutionieren. Schranken, die
bisher bessere und genauere
Beobachtungen verhinderten,
werden durch die neuen
quantenbasierten Methoden
durchbrochen und es ist si­
cher, dass diese Verfahren in

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HITEC LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

QUANOMET

EINE FORSCHUNGSLINIE DER STRATEGISCHEN ALLIANZ
BRAUNSCHWEIG – HANNOVER

Die Quanten- und Nanometro- Mit der im März 2015 initiier- Mobilise – Forschungslinie Smart BioTecs – Forschungslinie
logie (QUANOMET) verfolgt die ten Masterplanung der For- Mobilität Lebenswissenschaften:
schungsregion Braunschweig-
methodische Weiterentwick- Hannover wurde ein neuer Das Ziel der Forschungslinie In der Forschungslinie »Smart
lung und Innovation immer Weg beschritten, um die be- »Mobilise« ist es, die Mobilität BioTecs« stehen die Entwick-
präziserer und empfindlicherer teiligten Hochschulen im der Zukunft zu planen und lung und Herstellung neuar-
Messverfahren und ist eine von nationalen und internationa- zu gestalten sowie wissen- tiger Wirkstoffe und Arznei-
drei Forschungslinien eines len Wettbewerb zukunftssi- schaftlich und interdiszipli- mittel, aber auch intelligenter
Wissenschaftsbündnisses cher aufzustellen. Die strate- när zu begleiten. Im Rahmen Implantate zur Behandlung
zwischen der Leibniz Universität gische Förderung des Nieder- zahlreicher Projekte aus den von körperlichen Defekten
Hannover und der Technischen sächsischen Ministeriums für Themenfeldern Digitalisie- und zur Unterstützung der
Universität Braunschweig. Wissenschaft und Kultur rung, Energiewende sowie körperlichen Regeneration im
(MWK) ermöglichte den be- Produktion und Leichtbau Mittelpunkt. Dazu werden die
Wissenschaftler beider teiligten Hochschulen TU entwickeln die Wissenschaft- Forschungsprofile der Univer-
Hochschulen berichten, wie das Braunschweig und Leibniz lerinnen und Wissenschaft- sitäten im Bereich der Lebens-
Universität Hannover eine be- ler Lösungsansätze für aktu- wissenschaften geschärft und
Projekt entstanden ist und sondere Kooperation, die auf elle gesellschaftliche, ökolo- daraus entstehende Synergie-
welche Ziele es hat. gemeinsame Projekte in For- gische, technologische und effekte genutzt.
schung, Lehre, Studium und wirtschaftliche Herausforde-
Aus- und Weiterbildung ab- rungen. Mit der Forschungs- QUANOMET – Forschungslinie
zielt. Besondere Bedeutung linie »Mobilise« wird die Quanten- und Nanometrologie:
hat hierbei die Ausbildung Grundlage für einen weiteren
des wissenschaftlichen Nach- Ausbau der Mobilitätsfor- Metrologie ist die Wissen-
wuchses sowie die Gewinnung schung gelegt. Da zukünfti- schaft vom präzisen Messen.
international herausragend ge Innovationen insbeson- Die Entwicklung metrologi-
qualifizierter Wissenschaft- dere an den Grenzen zwi- scher Verfahren gehört zu den
lerinnen und Wissenschaft- schen den verschiedenen wichtigsten Grundlagen mo-
ler. Ziel der Zusammenarbeit Disziplinen zu erwarten derner Industriegesellschaften
ist, die wissenschaftliche sind, wird vor allem die in- mit erheblicher Relevanz für so
Exzellenz beider Universitä- terdisziplinäre Zusammen- unterschiedliche Bereiche wie
ten auf besonderen For- arbeit gestärkt.
schungsfeldern (Forschungs-
linien), die sich nicht nur 1
durch wissenschaftliche,
sondern auch durch weitrei-
chende gesellschaftliche und
ökonomische Relevanz aus-
zeichnen, weiterzuentwi-
ckeln. Die Wissenschafts-
allianz Braunschweig-Han-
nover erstreckt sich daher
auf drei gemeinsame For-
schungslinien: Mobilität,
Lebenswissenschaften und
Quanten- und Nanometro-
logie (QUANOMET).

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