Im Prinzip äquivalent

  • 27. April 2016

Am 25. April ist der Satellit Microscope gestartet mit dem Ziel, das Äquivalenzprinzip mit bislang unerreichter Genauigkeit zu testen.

Das war spannend und erforderte Geduld: Aufgrund schlechter Wetterverhältnisse und einer Fehlermeldung eines Navigationsgeräts startete der französische Satellit Microscope mit drei Tagen Verzögerung vom Raumfahrtbahnhof Kourou in Französisch-Guayana. Erst am Abend des 25. April gelang der Start der Soyuz-Rakete, die zudem drei kleine Satelliten des ESA-Wettbewerbs „Fly your satellite“ und den Erdbeobachtungssatelliten Sentinel-1B an Bord hatte.

Ziel von Microscope ist der hochpräzise Test des Äquivalenzprinzips, demzufolge alle Massen auf der Erde beim freien Fall im Vakuum die gleiche Beschleunigung erfahren. Dass dieses Prinzip erfüllt ist, haben bisherige Experimente mit einer Genauigkeit von 10-13 bestätigt. Microscope soll um den Faktor 100 bis 1000 genauer messen und prüfen, ob das Äquivalenzprinzip auf dieser Skala immer noch gültig ist. Hauptverantwortlich für Microscope (MICRO Satellite à traînée Compensée pour l’Observation du Principe d’Equivalence) sind die französischen Forschungseinrichtungen ONERA (Office national d’études et de recherches aérospatiales) und OCA (Observatoire de la Côte d’Azur), finanziert wurde die Mission zum größten Teil von der französischen Raumfahrtagentur CNES. Einzige internationale Partner sind das Zentrum für Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) in Bremen und die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Die deutsche Finanzierung stammt vom DLR. Zudem unterstützt die DFG die Datenauswertung.

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Letzte Übrprüfung des Satelliten vor dem Start (Abb. CNES)

Um diese hohe Messgenauigkeit zu erreichen, befinden sich zwei Paare von Testmassen an Bord: einmal zwei Testkörper aus unterschiedlichen Materialien (Titan und eine Platin-Rhodium-Legierung) und einmal zwei Testmassen, die beide aus Platin bestehen. Für die Experimente müssen die Massen jedes Paares so positioniert sein, dass ihre Schwerpunkte exakt übereinander liegen. Als Teil eines Satelliten, der sich auf seinem Orbit um die Erde bewegt, befinden sie sich ständig im freien Fall. Die Schwerpunkte der Massen sollten dabei weiterhin übereinander liegen. „Andernfalls wäre das Äquivalenzprinzip verletzt, und unser Weltbild in der Physik würde zusammenbrechen“, erläutert Claus Lämmerzahl, Leiter des vom ZARM zu verantwortenden Projektteils. Das Testmassenpaar aus Platin dient dazu, die Messungen zu kontrollieren - sollten sich ihre Schwerpunkte verschieben, hätte die exakte Positionierung versagt. Die Testmassen wurden mit extrem hoher Genauigkeit in der PTB Braunschweig hergestellt und anschließend im Bremer Fallturm zahlreichen Tests unterzogen, um zu zeigen, dass der Experimentaufbau in Schwerelosigkeit funktioniert.

Darüber hinaus sind deutsche Wissenschaftler für die aufwändige Lageregelung und deren Modellierung zuständig. Die Testmassen müssen sich im ständigen freien Fall befinden, trotz aller möglichen Störungen im Weltraum, beispielsweise durch die Atmosphäre. „Diese Störungen muss der Satellit ausgleichen, er ist also praktisch Teil des Experiments“, führt Hansjörg Dittus aus dem DLR-Vorstand aus, der die Idee zu diesem Experiment seit über 15 Jahren maßgeblich mit vorangetrieben hat. An Bord des Satelliten ist es auf diese Weise möglich, mit langer Integrationszeit zu messen und systematische Fehler dadurch weitgehend zu minimieren.

Wohl niemand erwartet, dass Microscope eine Verletzung des Äquivalenzprinzips entdeckt. „Dazu wird die Genauigkeit vermutlich noch nicht reichen“, meint Dittus. Aber es wird möglich sein, verschiedene Klassen von Quantengravitationstheorien auszuschließen, denn das Äquivalenzprinzip ist bei allen diesen Theorien auf irgendeiner Skala verletzt. „Microscope ist daher ein Schlüsselexperiment, um Quantengravitationstheorien zu testen“, verdeutlicht Claus Lämmerzahl.

Rund drei Stunden nach dem Start hat sich der Microscope Satellit erfolgreich von der Rakete getrennt und befindet sich nun auf dem Weg zu seinem Zielorbit, einem sonnensynchronen Orbit an der Tag-Nacht-Gleiche. Auf dieser Position bestrahlt die Sonne den Satelliten immer auf der gleichen Seite, sodass die thermischen Bedingungen konstant bleiben. Bereits einen Tag nach dem Start gelang es den französischen Wissenschaftlern, den Kontakt mit dem Satelliten herzustellen. Zunächst ist eine mehrmonatige Test- und Kalibrierphase geplant, an die sich eine ein- bis anderthalbjährige Messphase anschließen wird. Neben den beteiligten französischen Wissenschaftlern haben auch die Mitarbeiter am ZARM das Erstzugriffsrecht auf die Daten; nach einem Jahr werden die Daten frei zugänglich gemacht. Erste Ergebnisse wird es vermutlich erst Ende nächsten Jahres geben, da die Auswertung viel Zeit und Sorgfalt erfordert. 

Maike Pfalz

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