Kaltes Atom-Gyroskop im Weltraum: Präzisionsmessungen der Zukunft

PEKING / MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Die Entwicklung von hochpräzisen Gyroskopen im Weltraum eröffnet neue Möglichkeiten in der Raumfahrt und der Grundlagenforschung. Ein Team der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat kürzlich ein bahnbrechendes Experiment an Bord der chinesischen Raumstation durchgeführt.

Die Bedeutung von hochpräzisen Gyroskopen im Weltraum ist sowohl für die Raumfahrttechnik als auch für die Grundlagenforschung von großer Relevanz. Diese Instrumente ermöglichen es, Effekte der allgemeinen Relativitätstheorie, wie den Frame-Dragging-Effekt, zu testen und somit die Grenzen dieser Theorie auszuloten. Frühere Satellitenprojekte wie Gravity Probe B und LARES haben bereits wichtige Erkenntnisse geliefert, jedoch ohne eine Verletzung der Relativitätstheorie nachzuweisen.

Atominterferometer, die Materiewellen zur Messung von Trägheitsgrößen nutzen, bieten im Weltraum aufgrund der ruhigen Umgebung und der langen Interferenzzeiten eine viel höhere Messgenauigkeit als auf der Erde. Europa und die USA haben bereits Projekte vorgeschlagen und Experimente auf Mikrogravitationsplattformen wie der Internationalen Raumstation durchgeführt.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Mingsheng Zhan vom Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat ein neuartiges Atominterferometer entwickelt, das im November 2022 zur chinesischen Raumstation gebracht wurde. Dieses kompakte Gerät ermöglicht Experimente mit 85Rb und 87Rb und zeichnet sich durch ein integriertes Design aus.

Jüngste Experimente mit diesem Interferometer haben gezeigt, dass es möglich ist, präzise Rotations- und Beschleunigungsmessungen im Weltraum durchzuführen. Die Unsicherheit der Rotationsmessung liegt bei weniger als 3,0×10⁻⁵ rad/s, während die Auflösung der Beschleunigungsmessung besser als 1,1×10⁻⁶ m/s² ist. Diese Ergebnisse bieten eine Grundlage für die Entwicklung zukünftiger hochpräziser quantenbasierter Trägheitssensoren im Weltraum.

Das Team hat auch die Dephasierungsprobleme der kalten Atom-Scherschnitt-Interferenzfransen analysiert und gelöst. Durch die Untersuchung der Phasen der Scherfransen wurde ein magisches Scherwinkelverhältnis gefunden, das die Dephasierung eliminiert, die durch die Parameter der Atomwolken verursacht wird. Diese Erkenntnisse ermöglichen eine präzise Kalibrierung der Scherwinkel im Orbit.

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass der Scherwinkel-Fehler einer der Hauptfaktoren ist, der die Messgenauigkeit zukünftiger kalter Atom-Gyroskope im Weltraum begrenzt. Die Messungen des CSSAI wurden mit denen des Gyroskops der Raumstation verglichen und stimmen gut überein, was die Zuverlässigkeit der Messungen weiter unterstreicht.

Diese Arbeit stellt nicht nur das weltweit erste kalte Atom-Gyroskop im Weltraum dar, sondern legt auch den Grundstein für zukünftige Entwicklungen von quantenbasierten Trägheitssensoren in der Raumfahrttechnik.

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