Klartext Raumfahrt

Nihil fit sine causa

Zurück in die Zukunft

Eine kleine Geschichte der (Uhr-)Zeit

Alles von Wert wird in Zeit gemessen: Bewegung und Veränderung, Geschichte und Geschichten, Genuss und Verdruss, Leidenschaft und Leiden – das ganze Leben, denn es ist ja nichts anderes als eben dies: Lebens-Zeit. Welchen Wert hat dann umgekehrt das Messen der Zeit, in jedem Zustand, an jedem Ort, bei jeder Geschwindigkeit?

Von der Metaebene berühmter Filmkunst aus betrachtet – die aber mittlerweile von manchen Physikern ansatzweise ernst genommen wird – wäre das die Voraussetzung für Stufe 1, das Verständnis, und dann auf Stufe 2 gar für die Macht über das Verhalten und die Entwicklung aller Objekte, verbunden mit der Fähigkeit, sich mittels künstlicher Raumkrümmung in definierten Wharpstärken bei Lichtgeschwindigkeit oder schneller frei vom Diktat der Zeit in ihr zu bewegen – zurück in die Zukunft, und das jederzeit. Auf Stufe 3 schließlich würden wir hinter der „Kleine(n) Geschichte der Zeit“ des unvergleichlichen Stephen Hawkings dank endlich geklärter Rolle und Wesensart von „dunkler Energie“ und „dunkler Materie“ sowie der Verheiratung von klassischer und Quantenphysik auf einer Pataebene oberhalb allen Metalevels der Stringtheorie nicht mehr ein zur Nußschale geschrumpftes Universum vermuten – sondern wissen, was wirklich ist.

Doch davon sind wir weit entfernt. Genau genommen, wissen wir derzeit nur, dass wir mindestens 70 Prozent nicht wissen. Umso erstaunlicher wie auch erfreulicher ist es da, dass wir noch vor Erreichen der genannten Erkenntnisstufe 1 in der Lage sind, Zeit tatsächlich zu messen. Und der Wert dieser Fähigkeit, um auch das gleich in Stein zu meißeln, ist unermesslich groß. Dass weiß auch die ESA.

Auftrag an Leonardo

So hat sie jüngst gleich zwei neue Projekte zur Konzeption, Entwicklung und Qualifizierung einer ultrapräzise Atomuhrentechnologie für Galileo gestartet. Im Auftrag der Europäischen Kommission und nach einem formellen Auswahlverfahren im Rahmen eines offenen Wettbewerbs unterzeichnete sie einen Vertrag im Wert von 12 Millionen Euro mit einem Konsortium aus dem italienischen Unternehmen Leonardo S.p.A. als Hauptauftragnehmer und dem Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) als Unterauftragnehmer. Im Rahmen dieses Vertrags wird das Konsortium erst einmal ein technisches Qualifizierungsmodell entwickeln, herstellen, testen und qualitativ prüfen. Sodann soll ein experimentelles Flugmodell auf einem Galileo-Satelliten der zweiten Generation fliegen, um eine frühe Überprüfung im Orbit zu ermöglichen. Nach den ersten Tests wird die neue Uhr weiter überwacht, um ihre Zuverlässigkeit und langfristige Lebensdauer zu untersuchen. Die Versuchsuhren werden zusätzlich zu den Betriebsuhren geflogen, die für die Bereitstellung der Galileo-Dienste verwendet werden.

Galileo – in a nutshell

NavSats sind im Grunde “nur“ Uhren, die auf ihrer Bahn um die Erde fliegen. Im Falle von Galileo befindet sich diese Bahn in 23.222 Kilometern Höhe. Die Standortbestimmung funktioniert über die Berechnung der Zeit, die ein Signal für den Weg vom Satelliten zum Empfänger benötigt. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals bekannt ist, wird aus der Differenz zwischen Sende- und Empfangszeit die Entfernung des Nutzers zum Satelliten ermittelt. Es ist möglich, die Position des Nutzers auf der Erde zu bestimmen, wenn man seine Entfernung zu mindestens vier Satelliten kennt.

Das vom Satelliten gesendete Signal benötigt etwa eine Zwölftelsekunde, um den Nutzer auf der Erde zu erreichen. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung hängt daher von der zeitlichen Präzision von Galileo ab, die auf wenige Nanosekunden – Milliardstel Sekunden – genau sein muss, um eine Positionsbestimmung im Meterbereich zu ermöglichen.

Wer hat´s erfunden?

Das gleich vorweg: es waren nicht die Schweizer, trotz aller sprichwörtlichen Schweizer Uhrwerke. Mit einem normalen Uhrwerk haben Atomuhren dann auch nichts gemeinsam. Die allererste Atomuhr – mit Ammoniakmolekülen als Taktgeber – fing im Jahr 1949 zu ticken an. Wenig später folgten auf Cäsiumatomen basierende Atomuhren. Die Cäsiumatome befinden sich hierin zunächst allesamt in ihrem Grundzustand – dem Zustand niedrigster Energie. In einem nächsten Schritt werden die Atome mit Mikrowellenstrahlung beschickt. Unter bestimmten Umständen können die Cäsiumatome die Energie der elektromagnetischen Wellen absorbieren und in einen höheren Energiezustand wechseln. Der Wechsel von einem Energiezustand in einen anderen Energiezustand hängt im Fall der Cäsiumuhr mit dem sogenannten Kernspin zusammen. Dieser beschreibt den Gesamtdrehimpuls eines Atomkerns. Wirkt man mit einer bestimmten Frequenz auf das Cäsiumatom ein, klappt man diesen Kernspin quasi um, und dann lässt sich die Anzahl der Cäsiumatome messen, bei denen der Kernspin „umgeklappt“ wurde. Alsdann wird die Frequenz – Anzahl der Schwingungen pro Sekunde – der Mikrowellenstrahlung so lange verändert, bis das bei maximal vielen Cäsiumatomen passiert. Denn dann schwingt diese Mikrowelle 9.192.631.769 mal, und bei Schwingung 9.192.631.770 ist dann genau eine Sekunde vergangen.

Das ist ein sehr zuverlässiges Verfahren, und seit 1967 wird die Sekunde genau so definiert. Offizielle Sprachregelung laut PTB (Braunschweig) dazu: Die Sekunde ist das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung.“

Wer hat´s also erfunden? Der Erfolg hat bekanntlich immer viele Väter. In diesem Zusammenhang ist es jedoch nicht falsch, mindestens die Physiker Isidor Rabi, Harold Lyons, Louis Essen und J. V. L. Parry zu nennen, die sich um Erfindung und Weiterentwicklung der Atomuhr von 1945 bis 1955 verdient gemacht haben.

Gegenwärtig sind die Galileo-Satelliten der ersten Generation nicht wie das GPS mit Cäsiumuhren, sondern schon mit passiven Wasserstoff-Maser-Uhren ausgestattet, die ebenfalls von Leonardo entwickelt wurden und bis heute die genauesten Uhren im Orbit sind, sowie mit Rubidium-Uhren von Safran. Der GNSS Evolutions Payload Principal Engineer bei der ESA, Manuela Rapisarda, verspricht für die in der Entwicklung befindliche gepulste, optisch gepumpte Rubidium-Atomuhr, die Robustheit von Rubidium-Dampfzellen-Atomuhren, welche weitgehend in SatNav-Konstellationen wie Galileo verwendet werden, mit modernsten optischen und digitalen Technologien zu verbinden. Technologien, die u.a. bei einem geringeren Energieverbrauch die Verringerung der Masse um mehr als 40 % im Vergleich zu den passiven Wasserstoffmaser-Uhren von Galileo erlauben.

Allerdings: nicht zu verschweigen ist, dass trotz aller Beschwörung des hohen technischen Standards diese Lösung schon in der Vergangenheit in der bisherigen Kombination von Rubidium- und Wasserstoff-Maser-Atomuhren nicht nur einmal zu massiven Problemen bei Galileo geführt hat.

Licht statt Mikrowelle: Ein Tick in 13,7 Milliarden Jahren

Eine Cäsiumatomuhr geht nach über 300.000 Jahren um lediglich eine Sekunde falsch. Von derart „grobkörniger“ Unsicherheit sind die Rubidium-Uhren und die passiven Wasserstoff-Maser Uhren Galileos symbolisch gesprochen Lichtjahre entfernt: erstere eine Sekunde in 760.000, und letztere gar nur 0,3 Sekunden in einer Million Jahren.

Noch viel mehr Standfestigkeit einerseits und nebenbei dann auch noch mehr Präzision erwartet man mittlerweile von Atomuhren, die nicht Mikrowellenstrahlung, sondern Licht als Zählwerk verwenden. Die sind erheblich genauer, weil „das Pendel“ in der optischen Uhr millionenfach schneller schwingt und damit die Zeit in viel feinere Intervalle unterteilt werden kann.

Es gibt unterschiedliche Taktgeber für diese optischen Atomuhren. Möglich sind einzelne Aluminium- und Jodatome, aber auch Strontium- oder Ytterbiumatome. Die mit diesen Atomen arbeitenden Zeitmesser sind derzeit die genauesten der Welt: Hätten sie seit Beginn des Universums vor 13,7 Milliarden Jahren mit dem Ticken begonnen, würden sie inzwischen um lediglich eine Sekunde falsch gehen.

Im Rahmen des FuE-Arbeitsplans für Galileo hat die ESA auch andere Uhrentechnologien wie eben diese optischen, sprich laserinduzierten Lösungsmöglichkeiten auf dem Schirm.

Mit Hosenträger und Gürtel

Dieses mehrgleisige Vorgehen der ESA hat einen so einfachen wie schwerwiegenden Grund: ESA und EU sind gleichermaßen gebrannte Kinder des immer wieder von Pleiten, Pech und Pannen gekennzeichneten Galileo-Projektes; dabei ist es immerhin die wichtigste weltraumgestützte Zivilinfrastruktur in Europa. Deshalb gilt für alle, die dabei etwas zu entscheiden haben, spätestens seit den doppelten Ausfällen von 2017 und 2019 als Dienstpflicht das Prinzip „Hosenträger und Gürtel“ – und zwar gleichzeitig. Schließlich habe man in Brüssel das mit Galileo einst verbundene Trauma immer noch nicht verwunden, wie EU-Direktorin Kavvada im Zusammenhang mit jenen neuen Aktivitäten zu IRIS2 anmerkte, mit denen die EU-Kommission gerade jenseits aller Lernfähigkeit bürokratischer Monster die besten Voraussetzungen für eine Neuauflage eines Traumas mindestens dieser Größenordnung in stahlbewehrten Beton gießt – aber das ist eine andere Story, siehe dazu:

IRIS2: Vorbereitungen für das Vergabefinale ,

IRIS2 – Ein Quantum Trost oder das Trauma in Quanten? ,

3-2-1: Meins ,

IRIS2: Antrag zum Valentinstag .

Horizon Europe investiert kontinuierlich in die Entwicklung neuer Uhrentechnologien und führt auch F&E-Arbeiten zu anderen Aspekten von EGNOS und Galileo durch, um proaktiv allen Anforderungen der Nutzer gerecht zu werden. Wenn man sich vergegenwärtigt, dass in der einen oder anderen Weise und im weitesten Sinne mehr als 90 Prozent aller Anwendungen der Raumfahrt eine präzise Zeit- und Positionsangabe benötigen, erkennt man überdeutlich, welche Bedeutung diese Uhrentechnologien besitzen – und diejenigen, die sie hervorbringen. Als solche stehen neben Leonardo Unternehmen wie etwa der französische Großkonzern Airbus mit seiner Tochter TESAT und Spacetech-i, das deutsche KMU aus Immenstaad am Bodensee, in der vordersten Reihe. Mit anderen Worten: ohne sie läuft nichts, oder drastischer: ohne sie ist Leben, wie wir es kennen und praktizieren, nicht möglich.

Vor diesem Hintergrund wäre es nicht nur gefährlich, nein: es wäre das Ende für unsere Welt, wie wir sie gestalten wollen, ohne Rücksicht auf den Aufwand nicht alles und von allem weniger als immer nur das Beste zu tun, Galileos Zeitempfinden unendlich zu schärfen und zu sichern. Dafür setzen ESA und EU mit ihrem multiplen Forschungsansatz ein deutliches Zeichen:

Ein Zeichen der Zeit. Ein Zeichen für Zukunft. Ein Zeichen für das Leben.

Quellen:

https://www.esa.int/Applications/Navigation/Contract_for_new_Galileo_atomic_clock_tech_signed

https://www.spektrum.de/news/galileos-uhren-verwirren-die-esa-ingenieure/1436357

https://www.ptb.de/cms/de/forschung-entwicklung/forschung-zum-neuen-si/countdown-zum-neuen-si/die-sekunde.html