Technologie

Neue Uhren braucht das All

19.07.2021 - Jod-Laseruhren sollen Präzision der Satellitennavigation weiter erhöhen.

Im Galileo-System befinden sich Atomuhren, die auf die Nanosekunde genau sind. Und es geht noch mehr: „Die im Institut für Quanten­technologien entwickelten Jod-Laseruhren werden um ein Vielfaches genauer sein als andere Systeme“, sagt Felix Huber vom Galileo Kompetenz­zentrum im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Je besser die Zeit bestimmt wird, umso sicherer läuft zum Beispiel die Navigation auf der Erde.

 

Das Galileo Kompetenzzentrum in Oberpfaffenhofen wurde 2019 gegründet, die Aufbauphase ist nahezu abgeschlossen. Das Kompetenzzentrum verbessert laufend die Technologien für das Galileo-Navigations­system. Dazu werden die Erfindungen der DLR-Institute zusammen mit der Industrie so vorangebracht, dass sie für die Satelliten und die Bodensysteme eingesetzt werden können. Das Institut für Quanten­technologien bringt die Jod-Laseruhren in das Projekt Compasso ein, das vom Galileo Kompetenz­zentrum geführt wird.

Die Jod-Laseruhren werden jetzt gemeinsam für den Einsatz im Weltraum qualifiziert: Sie müssen besonders klein, robust und langlebig sein. Für das Compasso-Projekt hat außerdem das Institut für Kommunikation und Navigation mit Wirtschafts­partnern ein Laserterminal erarbeitet, das die Daten überträgt, die Uhren der Satelliten synchronisiert und Entfernungen hochpräzise bestimmt. Hinzu kommen ein Frequenzkamm und weitere Instrumente, die Experimente im Weltraum unterstützten. Der Frequenzkamm überträgt die optischen Signale in den Frequenz­bereich für die Satelliten­navigation. Das Institut für Software­technologie liefert die Betriebssoftware für den Computer, der die Experimente steuert. Der DLR-Raumflugbetrieb unterstützt und übernimmt die Vorbereitung und Durchführung des Gesamtbetriebs.

Das Galileo-Satelliten­navigations­system bietet schon jetzt eine außerordentlich hohe Positions­genauigkeit und präzise Zeitinformation. Satelliten senden bei der Navigation ständig Daten, damit Nutzer ihren Standort bestimmen können. Dass dabei die Laufzeiten zwischen Sender und Empfänger richtig gedeutet werden, ist immens wichtig: „Eine Ungenauigkeit der Zeitmessung von einer Nanosekunde würde zum Beispiel einem Fehler von 30 Zentimetern in der Entfernungs­messung entsprechen“, erklärt Felix Huber. Das scheint nicht viel zu sein – die Satelliten kreisen immerhin in etwa 23.000 Kilometern Höhe um die Erde. Aber: Bei der Navigation von Fahrzeugen, die automatisiert unterwegs sind, wäre das nicht tolerierbar. „Die Atomuhren in den Satelliten müssen so exakt übereinstimmen, dass sie Positions­genauigkeiten im Bereich weniger Zentimeter in Echtzeit erlauben“, sagt Felix Huber.

Die Jod-Laseruhren aus dem Compasso-Projekt basieren auf den Prinzipien der Quantenmechanik. Das Galileo Kompetenzzentrum hat neben dem DLR-Institut für Quantentechnologien in Ulm und dem DLR-Institut für Satelliten­geodäsie und Inertial­sensorik in Hannover eine bedeutende Rolle bei terrestrischen und raumfahrt­basierten Quanten­innovationen. Natürlich stehen auch Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für künftige Quantencomputer im Fokus.

Wie sollen zukünftige Systeme gestaltet werden, um den höchsten Nutzen zu erreichen? Welche Technologien machen einen Unterschied? Und welche haben ein Markt­potenzial? Das ergründet das Galileo Kompetenz­zentrum außerdem im Projekt Robust Precise Timing Facility (RPTF). Anders als bei Compasso werden hier keine Weltraumtechnologien qualifiziert, sondern die für den Galileo-Betrieb notwendigen Boden­systeme weiterentwickelt. Es handelt sich um Hard- und Software für die perfekte Zeit­verteilung im Galileo-System. Die Messinstrumente auf der Erde lassen sich dafür beliebig erweitern. Sie handeln quasi als „Team“ und liefern sogar dann noch perfekte Zeiten, wenn einige von ihnen ausfallen sollten oder ausgetauscht werden.

„Die Referenzzeit am Boden muss für die Satelliten immer zuverlässig bleiben“, erklärt Felix Huber. Nebeneffekt der „Robust Precise Timing Facility“: Sie ist so stabil, dass sie in anderen Systemen für die Wartung und Fehlersuche genutzt werden kann. „Die Forschung kommt aus den Instituten“, sagt Felix Huber. Bei der RPTF ist es vor allem das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation. Das Galileo Kompetenz­zentrum sorgt dafür, dass neue Ideen auf den Weg gebracht werden. Es unterstützt den Technologietransfer, damit die Forschungs­ergebnisse zusammen mit Industrie­partnern umgesetzt werden.

DLR / DE

 

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