Panorama

Sichere Kommunikation und hochpräzise Navigation

28.05.2021 - DLR eröffnet Institut für Quantentechnologien in Ulm.

Ob sichere Kommunikation oder zuverlässige Navigation per Satellit – viele Raumfahrt-Anwendungen sind auf hochpräzise Instrumente angewiesen. Technologien auf Basis quanten­mechanischer Effekte ermöglichen zuvor unerreichte Genauigkeiten und Sicherheit. Das Institut für Quanten­technologien des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt entwickelt solche Technologien und bringt sie mit der Industrie zur Prototyp-Reife. Das Institut in Ulm schlägt damit die Brücke zwischen Grundlagen­forschung und Anwendung. Bei einer digitalen Veranstaltung wurde das DLR-Institut am 27. Mai offiziell eingeweiht.

„Die Quantentechnologie wird unser Leben verändern. Sie wird die Grundlage bilden für neue Innovationen aus dem DLR, die über den Technologie­transfer ihren Weg in die Wirtschaft finden werden. Das ist unser Beitrag zur Stärkung des Wissenschafts- und Wirtschafts­standorts Deutschland“, erklärt Anke Kaysser-Pyzalla, Vorsitzende des DLR-Vorstands. „Wir haben hier in Ulm ein ideales Forschungs­umfeld gefunden, eingebettet in jahrelang erfolgreich implementierte lokale und regionale wissenschaftlich-technische Strukturen. Die Gründung und der Aufbau von neuen Instituten des DLR ist ohne die umfangreiche Unterstützung durch den Bund und die Länder nicht denkbar.“

Aktuell arbeiten am neuen Institut mehr als vierzig Forscher an Themen aus dem Bereich der Quanten­technologien. In den nächsten Jahren werden etwa zweihundert Mitarbeiter hinzukommen. Gemeinsam mit dem DLR-Institut für Satelliten­geodäsie und Inertial­sensorik in Hannover und dem Galileo Kompetenz­zentrum in Oberpfaffenhofen nimmt das neue Institut eine Vorreiter­rolle in diesem Bereich ein. Es unterstützt den Aufbau von Know-how in einer für den Standort Deutschland wichtigen Schlüssel­technologie.

„Quantentechnologien werden zukünftig in der Metrologie und Geodäsie sowie beim Betrieb von Kommunikations­satelliten angewendet“, erläutert Hansjörg Dittus, Mitglied des DLR-Vorstands für Raumfahrt­forschung und -technologie. „In Ulm erfolgt auch die Begleitforschung, um Quanten­technologien für die Wirtschaft nutzbar zu machen. Ein Weg dafür ist der Technologie­transfer des DLR.“

Ein zentrales Vorhaben des DLR-Instituts ist das Projekt COMPASSO. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung optischer Uhren. Diese nächste Generation der Atomuhren nutzt die Quantenphysik und bietet eine nochmal höhere Präzision bei der Zeitmessung – mindestens um den Faktor hundert. Die Technologie kann zum Beispiel auf Satelliten zum Einsatz kommen und Navigations­systeme wesentlich leistungs­fähiger und zuverlässiger machen. Denn Positions­angaben können auf ein bis zwei Zentimeter genau erfolgen. Besonders exakte Positions­bestimmungen sind für viele zukunfts­weisende Anwendungen notwendig: für fahrerlose Autos, die Navigation von Schiffen, autonom fliegende Lufttaxis oder Transport­drohnen. Von einer extrem genauen Zeit­be­stimmung profitieren auch Sensoren auf Satelliten, die das Gravitations­feld der Erde vermessen oder dem Klimawandel auf die Spur gehen.

Die Herausforderung für das Team vom DLR-Institut für Quanten­technologien liegt vor allem darin, diese Technologie tauglich für die Raumfahrt zu machen: Sie muss möglichst klein, robust und langlebig sein. Deshalb kommen unter anderem spezielle Laser und neuartige Materialien, wie Hightech-Keramiken, zum Einsatz. Diese verformen sich bei Temperatur­wechseln nur minimal. Um das System in der Erdumlauf­bahn zu erproben, plant das DLR für das Jahr 2024 die gleichnamige Weltraum­mission COMPASSO auf der Internationalen Raumstation ISS. Auf der Außenplattform Bartolomeo soll das Instrument ein Jahr getestet werden. Zu den Partnern des Projekts gehören die Unternehmen Airbus,Menlo Systems,SpaceTech und Tesat Spacecom.

Technologische Durchbrüche im Bereich der optischen Komponenten und deren Miniaturi­sierung ermöglichen auch Fortschritte im Bereich der Quanten­kommunikation und Quanten­krypto­grafie. Beides sind weitere Schwerpunkte des neuen Instituts. Quanten­computer könnten viele aktuell verwendeten Verschlüsselungs­algorithmen knacken. Die Quanten­kryptografie benutzt die Quanten­physik, um geheime Schlüssel zu erzeugen. Sie kann in der Satelliten­kommunikation zum Einsatz kommen, eignet sich aber auch, um die Kommunikation über Glasfaser­kabel zu schützen. Daten sollen so auf lange Zeit sicher gemacht werden – unabhängig von Fort­schritten bei Quanten­computern und in der Mathematik. Eine langfristig zuverlässige Verschlüsselung ist unabdingbar, um kritische Infrastruktur wie Versorgungs­netze, staatliche Institutionen, Banken oder das Gesundheits­wesen zu schützen. Das DLR arbeitet eng mit Industrie­unter­nehmen zusammen, um die benötigten Technologien zu entwickeln und marktreif zu machen.

DLR / RK

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