31.12.2007
Nachdem in Laborexperimenten die hohe Stabilität und Genauigkeit von optischen Atomuhren demonstriert wurde, kann jetzt mit einem längeren Zeithorizont über wissenschaftliche Anwendungen dieser neuen Messgeräte nachgedacht werden. Motivation dazu bot unter anderem das Programm „Cosmic Vision“, in dem die europäische Raumfahrtagentur ESA zu Vorschlägen für Missionen aus dem Bereich physikalischer Grundlagenforschung eingeladen hat, die im Zeitraum der Jahre 2015 bis 2025 durchgeführt werden könnten. In internationalen Studiengruppen mit Teilnehmern u.a. aus Frankreich, Großbritannien und Italien sind Wissenschaftler der PTB an mehreren Vorschlägen beteiligt.
Beim „Einstein Gravity Explorer“ EGE (federführend ist die Universität Düsseldorf) soll ein Ensemble von unterschiedlichen Atomuhren in eine stark elliptische Erdumlaufbahn gebracht werden, um die relativistische Gravitationsrotverschiebung der Uhren mit hoher Genauigkeit zu messen. Diese Mission ist auch von Interesse für die Geodäsie, da sie die Möglichkeit bietet, durch Vermessung des Gravitationspotentials der Erde eine weltweit einheitliche Höhenskala zu erhalten. In der Projektstudie SAGAS „Search for Anomalous Gravitation with Atomic Sensors“ (federführend ist das LNE-SYRTE in Paris) wird vorgeschlagen, mit einer Kombination aus einer optischen Atomuhr und einem atominterferometrischen Beschleunigungssensor nach Abweichungen von Einsteins Gravitationsgesetz im äußeren Bereich unseres Sonnensystems zu suchen. Hinweise hierauf gibt es in den Bahndaten der in den 1970er Jahren gestarteten Pioneer-Sonden, die eine vollkommen unerwartete, aber statistisch sehr signifikante Anomalie aufweisen. Die Aussagekraft dieser Daten ist leider durch die technischen Randbedingungen der damals verwendeten Uhren und Sensoren begrenzt. So sollen bei SAGAS Ort, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Sonde mit unabhängigen Methoden gemessen werden. Eine weitere reizvolle Zielsetzung dieser Mission ist die Suche nach Asteroiden oder unbekannten Kleinplaneten, die ebenfalls einen Einfluss auf die Bahn der Sonde ausüben würden.
Obwohl die tatsächliche Realisierung dieser langfristig angelegten Raumfahrtprojekte vorerst nicth weiterverfolgt wird, so ergeben die Vorstudien bereits wichtige Erkenntnisse für die Technologieentwicklung der optischer Uhren und für zukünftige Methoden von Zeit- und Frequenzübertragung.
Designstudie der Raumsonde des SAGAS-Projekts, hier gezeigt beim swing-by Manöver um Jupiter. Von der optischen Uhr auf der Sonde werden Zeit- und Frequenzinformation mittels eines Lasers zur Erde übertragen. Das hierfür notwendige optische Teleskop ist in eine traditionelle Mikrowellenantenne integriert.