Menü
Hannoversche Allgemeine | Ihre Zeitung aus Hannover
Anmelden
Wissen Nasa schickt Atomuhr ins All – sie soll Raumschiffe navigieren
Nachrichten Wissen

Start mit SpaceX: USA schicken Atomuhr samt 24 Satelliten ins All

Partner im Redaktionsnetzwerk Deutschland
07:00 26.06.2019
So soll die Atomuhr durchs All schweben und Satelliten sowie Raumschiffe mit GPS-Daten versorgen. Quelle: NASA
Cape Canaveral

Das Raumfahrtunternehmen SpaceX des Erfinders und Unternehmers Elon Musk (Tesla) hat am Dienstag 24 Forschungssatelliten und die „Deep Space Atomic Clock“ ins All geschickt. SpaceX bezeichnete die Platzierung der künstlichen Himmelskörper in drei unterschiedlichen Erdumlaufbahnen als eine der herausforderndsten Aufgaben überhaupt. Auf Twitter meldete das Unternehmen jede einzelne Platzierung, das Prozedere dauerte mehrere Stunden. Nach dem gelungenen Start der Falcon-Heavy-Rakete können die Wissenschaftler jetzt die Präzision der Uhr testen – während sie ihre erste Tage und Monate im All verbringt.

Lesen Sie auch:
Kurs Sonne: Nasa schickt unbemanntes Raumschiff für 165 Millionen Dollar ins All

Die „Deep Space Atomic Clock“ (DSAC), die vom „Jet Propulsion Laboratory“ der Nasa entwickelt wurde, ist ein weltraumkonformes Upgrade irdischer Atomuhren und der Modelle, die bereits – etwa als GPS-Signalgeber – in Satelliten eingesetzt werden. Sie werde keinerlei äußeren Einflüssen unterliegen – und deshalb um das Fünfzigfache präziser sein als die Uhren, die in GPS-Satelliten verwendet werden, berichtet die Nasa.

Die alltaugliche Atomuhr soll nach Angaben der Nasa im günstigsten Fall Raumschiffe bei der Navigation zu entfernten Zielen im Weltraum unterstützen und deren Reise so autonomer machen, etwa auf dem Weg zum Mars. Die erhöhte Präzision bei der künftigen Vermessung des Standortes von Raumschiffen soll ein unabhängigeres Reisen in die Tiefen des Alls erlauben, ohne dass noch eine permanente Kommunikation mit der Erde nötig sei. Das wäre im Vergleich zur heutigen Navigation ein großer Fortschritt.

So funktioniert die neue Superuhr

Astronomen benutzen bereits Uhren, um im Weltraum zu navigieren. Sie senden ein Signal an das Raumschiff, dass dieses an die Erde zurücksendet. Die Gesamtzeit, die dieses Signal unterwegs ist, gibt den Wissenschaftlern Aufschluss über die Entfernung der Raumkapsel. Das liegt daran, dass das Signal mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs ist. Wenn man also weiß, wie lang der Weg zum Raumschiff und zurück gedauert hat, ist es ein Kinderspiel, dessen Entfernung auszurechnen. Indem sie mehrere Signale während einer Mission aussenden, können Wissenschaftler die Flugbahn eines Raumschiffs berechnen; sowohl was frühere als auch was zukünftige Positionen angeht.

Lesen Sie auch:
Nasa öffnet Raumstation ISS ab 2020 für Touristen

Doch um die Position eines Raumschiffs mit nur minimalen Abweichungen bestimmen zu können, brauchen Astronomen extrem präzise Uhren, die Milliardstel einer Sekunde messen können. Zudem müssen die Uhren extrem stabil sein. Stabil bedeutet in diesem Kontext, wie konsistent die Uhr eine gewisse Zeiteinheit misst. Während man annimmt, dass Uhren immer denselben Zeitabschnitt als eine Sekunde vermessen, haben Uhren die Eigenschaft abzuweichen und so graduell immer längere Zeitabstände als eine Sekunde zu messen. Um die Position von Raumschiffen in den Tiefen des Alls bestimmen zu können, brauchen Astronomen Atomuhren, deren Abweichung über Tage und Wochen nicht mehr als ein Milliardstel einer Sekunde beträgt.

Das Innenleben der neuen Superuhr. Quelle: NASA

Wie das Pendel in Großvaters Standuhr

Moderne Zeitmesser, von den Armbanduhren, die wir tragen bis zu den Uhren, die in Satelliten verwendet werden, benutzen meist einen Schwingquarz zur Ermittlung der Uhrzeit. Dabei wird ausgenutzt, dass Quarzkristalle mit einer präzisen Frequenz vibrieren, sobald sie unter Strom gesetzt werden. Die Nasa schreibt in einem Bericht, die Schwingungen funktionierten wie das Pendel in Großvaters Standuhr.

Doch für die Navigations-Standards im All gelten Quarzuhren keineswegs als stabil. Nach sechs Wochen können sie um eine ganze Millisekunde abweichen, was in die Lichtgeschwindigkeit übertragen einer Distanz von 300 Kilometern entspricht. Eine solche Fehlerquote würde eine immense Auswirkung auf die Positionsbestimmung eines sich schnell fortbewegenden Raumschiffs haben, so die Nasa.

Lesen Sie auch: Abschied von „Opportunity“: Nasa veröffentlicht letzte Bilder des Mars-Rovers

Atomuhren kombinieren Schwingquarze mit einer speziellen Sorte von Atomen, um eine bessere Stabilität zu erzielen. Die DSAC benutzt Quecksilber-Atome und erreicht nach vier Tagen eine Maximalabweichung von weniger als einer Nanosekunde und nach zehn Jahren von weniger als einer Mikrosekunde. Es würde eine Million Jahre dauern, so die Nasa, bis die Uhr eine Sekunde nachginge.

Wie ihr Name schon suggeriert, profitieren Atomuhren von der Struktur der Atome, deren Atomkern aus Protonen und Neutronen besteht, die wiederum von Elektronen umgeben werden. Die einzelnen Atome eines jeden Elements haben eine spezifische Struktur mit einer unterschiedlichen Anzahl von Protonen im Nukleus. Während die Nummer von Elektronen je nach Atom-Typ variieren kann, können die Elektronen spezielle Energielevel besetzen, und ein Stoß der exakt passenden Energiemenge kann dazu führen, dass ein Elektron auf einen höheren Energielevel innerhalb des Atomkerns klettert.

Die SpaceX Falcon Heavy Rakete startet mit 24 Satelliten und der Atomuhr an Bord vom Kennedy Space Center in Florida. Quelle: NASA/Joel Kowsky

Wenn die Elektronen springen, geht die Uhr richtig

Die Energie, die benötigt wird, damit so ein Elektron „springt“, ist bei jedem Element anders, aber konsistent in sämtlichen Atomen dieses Elements. Und genau diese Konsistenz ist es, die Atomuhren in ihrer Präzision so unerreichbar macht. Vereinfacht gesagt, kann sich eine Atomuhr selbst korrigieren. In einer Atomuhr wird die Frequenz des Schwingquarzes in jene Frequenz umgewandelt, die auf eine Ansammlung von Atomen eines bestimmten Elements angewendet wird.

Ist diese Frequenz korrekt, sorgt sie dafür, dass viele Elektronen in den Atomen auf höhere Energielevel springen. Ist sie es nicht, springen weniger Elektronen. Das signalisiert der Uhr dann, dass der Schwingquarz außer Takt ist und inwieweit er korrigiert werden muss. Bei der DSAC wird die Korektur alle paar Sekunden berechnet und auf den Schwingquarz übertragen.

Lesen Sie auch: Vor 60 Jahren: Miss Able und Miss Baker – zwei Affen fliegen ins All

US-Militär lässt wiederverwertbare Raketenantriebe testen

Aber das sind noch nicht alle Besonderheiten der DSAC. Denn sie benutzt nicht nur Quecksilber-Atome, sondern geladene Quecksilber-Ionen. Da Ionen elektrisch aufgeladene Atome sind, können sie in einer elektromagnetischen „Falle“ gehalten werden. Das hält sie davon ab, mit den Wänden einer Vakuumkammer zu interagieren – ein bekanntes Problem bei den neutralen Problemen in regulären Atomuhren. Während dieser Interaktion können Umgebungsschwankungen wie etwa Temperaturwechsel die Atome selbst verändern und so Frequenzfehler verursachen.

Erstmals beteiligte sich das US-Verteidigungsministerium am insgesamt dritten Flug einer Falcon-Heavy-Rakete. Während der Mission sollen Daten gesammelt werden, um den Raketentyp und wiederverwertbare Antriebe für künftige Missionen des US-Militärs zu testen. Die Falcon Heavy ist eine der stärksten Raketen, die heutzutage in Gebrauch sind. Sie wurde erstmals im Februar 2018 gestartet, bei dem Testflug in eine Umlaufbahn hinter dem Mars war ein roter Tesla an Bord.

Von Daniel Killy/RND