Präzisionsuhr im All: Ein Meilenstein für die Zeitmessung

KENNEDY SPACE CENTER / MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) steht kurz vor dem Start einer der präzisesten Uhren, die jemals ins All geschickt wurden. Diese Uhr wird nicht nur die Zeitmessung revolutionieren, sondern auch Einsteins Relativitätstheorie mit beispielloser Genauigkeit testen.

Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) bereitet den Start der Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) vor, einer der präzisesten Uhren, die jemals ins All geschickt wurden. Diese Mission, die Jahrzehnte in der Planung war, wird eine hochsynchronisierte Netzwerkstruktur aufbauen, die auf den besten Uhren der Erde basiert. Doch die Lebensdauer dieses Projekts ist begrenzt, da es mit der geplanten Deorbitierung der Internationalen Raumstation (ISS) am Ende des Jahrzehnts enden wird.

ACES wird mit einem SpaceX Falcon 9-Rakete vom Kennedy Space Center in Florida starten und an der Außenseite des Columbus-Labors der ESA auf der ISS befestigt. Die Uhr wird ein Zeitsignal mit beispielloser Genauigkeit erzeugen und es über Laser an neun Bodenstationen senden, während sie mit einer Geschwindigkeit von 27.000 Kilometern pro Stunde die Erde umkreist. Diese präzise Synchronisation wird nicht nur die Zeitmessung weltweit verbessern, sondern auch Einsteins Theorie der allgemeinen Relativität mit hoher Genauigkeit testen.

Das Herzstück von ACES besteht aus zwei Uhren: SHM, die für kurze Zeiträume stabil bleibt und PHARAO kalibriert, und PHARAO selbst, das auf einem Atomuhrenmodell aus Paris basiert. Diese Uhren sind so genau, dass sie in 300 Millionen Jahren weniger als eine Sekunde verlieren würden, was sie zehnmal präziser macht als die Uhren an Bord von GPS-Satelliten.

PHARAO nutzt eine Fontäne von Cäsiumatomen, die auf nahezu absoluten Nullpunkt abgekühlt sind, um ein genaues Zeitsignal zu erzeugen. Diese Atome interagieren mit Mikrowellenfeldern, was auf der Erde ein Gerät von bis zu drei Metern Höhe erfordert. Im Mikrogravitationsumfeld des Weltraums können diese Atome jedoch in einer langsameren und kleineren Fontäne gesprüht werden, was das Gerät kompakter macht.

Simon Weinberg von der ESA erklärt, dass das Gerät so empfindlich ist, dass bereits ein Teelöffel in der Nähe ein elektromagnetisches Feld erzeugen könnte, das die Uhr zerstört. „Wir versuchen hier, eine Genauigkeit von besser als einer Billionstel Sekunde zu messen“, sagt Weinberg. „Das ist eine enorme Herausforderung.“

Die Idee für ACES stammt aus den 1990er Jahren und war ursprünglich für den Start mit dem Space Shuttle geplant, das 2011 außer Dienst gestellt wurde. Nach dem Start wird es etwa eineinhalb Jahre dauern, bis das erste Signal eine Erdstation erreicht, da das Gerät sechs Monate in Betrieb genommen werden muss und ein Jahr Messungen erforderlich sind, um Rauschen zu isolieren und aus dem Zeitsignal zu entfernen.

Nach der Inbetriebnahme wird ACES bis 2030 betrieben, danach wird die ISS absichtlich in die Erdatmosphäre gestürzt und verglüht. Zu diesem Zeitpunkt werden neue, superpräzise Zeitmesser, sogenannte optische Uhren, Atomuhren auf der Erde wahrscheinlich weitgehend überflüssig machen, obwohl sie möglicherweise noch nicht klein oder robust genug für den Einsatz im Weltraum sind.

Weinberg sagt, dass die ESA irgendwann eine neue Generation von ACES starten wird, um das zu ersetzen, was auf der ISS verloren geht, je nach der zu diesem Zeitpunkt am besten geeigneten Technologie. „Wir sind noch weit davon entfernt, das zu tun, und wir müssten die Unterstützung und Finanzierung zusammenbringen, um sicherzustellen, dass dies geschieht.“

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