Eiskaltes Kollektiv im All

Mit ultrakalten Quantengasen im Weltraum wollen Physiker das Gravitations­feld der Erde vermessen, das Einsteinsche Äquivalenz­prinzip einem präzisen Test unterziehen oder auch Gravitations­wellen detektieren. Bei einem ersten Flug mit einer Höhen­forschungs­rakete konnten Forscher nun die notwendigen Technologien und experimentellen Schritte prüfen, die für solche Messungen erforderlich sind. Dabei hat die Gruppe erstmals ein Bose-Einstein-Kondensat im Weltraum erzeugt und dessen Eigenschaften untersucht.

Dazu war die Forschungsrakete MAIUS-1 am 23. Januar 2017 um 3:30 Uhr mitteleuropäischer Zeit vom schwedischen Weltraum­bahnhof Esrange zu einem rund 15-minütigen Flug gestartet. Die Rakete brachte die Nutzlast mit dem Experiment zur Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten aus Rubidium-Atomen und deren Nutzung für Präzisions­messungen in bis zu 240 Kilometer Höhe. In der Schwerelosig­keit lassen sich ultra­kalte Quanten­gase als hochpräzise Sensoren etwa für die Gravitation einsetzen, um zu vermessen, ob Objekte im gleichen Gravitations­feld tatsächlich, wie von den gängigen Theorien vorausgesagt, gleich schnell fallen. Die Überprüfung des Einsteinschen Äquivalenz­prinzips kann in Schwerelosigkeit deutlich genauer erfolgen, als es auf der Erde möglich wäre. Die Forscher­gruppe unter Leitung der Leibniz-Universität Hannover wird auf Mainzer Seite von Patrick Wind­passinger vom Institut für Physik der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU) vertreten.

Während des viertel­stündigen Flugs erzeugten die Forscher automatisiert alle zwei bis vier Sekunden ein Bose-Einstein-Kondensat aus Rubidium-Atomen – ein Zustand mit einer Temperatur, die nur Bruchteile eines Grads vom absoluten Temperatur­null­punkt entfernt ist. Im Weiteren versetzten die Forscher das Kondensat mit Laserpulsen in einen quanten­mechanischen Überlagerungs­zustand. „Das bedeutet, dass sich die Atome gleichzeitig an zwei Orten befinden", erklärt Windpassinger, einer der Projektleiter des bundes­weiten Forschungs­verbunds. Mithilfe dieses Zustands lassen sich die auf die Atome einwirkenden Kräfte sehr präzise ermitteln. Experimente zur Schwerkraft funktionieren auch auf der Erde, zum Beispiel mit Messungen in Falltürmen. Allerdings sind die möglichen Beobachtungs­zeiten im All sehr viel länger und die Messungen damit genauer.

Das Forschungsprojekt ist das Ergebnis von mehr als zehn Jahren Arbeit: „Es ist eines der technisch aufwändigsten Experimente, das je auf einer Rakete geflogen ist”, so Windpassinger. „Das Experiment musste kompakt und robust genug sein, um den auftretenden Vibrationen während des Starts zu widerstehen, gleichzeitig aber klein und leicht genug, damit es auf der Rakete Platz findet."

Speziell für die Rakete MAIUS-1 entwickelten die Forscher in Mainz einen besonderen Softwarealgorithmus, der half, das Lasersystem des Experiments korrekt anzusteuern. Aber auch das Lasersystem selbst musste über Jahre hinweg entwickelt, getestet und gebaut werden. Diesen Teil übernahm eine Gruppe der Humboldt-Universität zu Berlin und des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchst­frequenz­technik (FBH) in Berlin um Achim Peters mit miniaturisierten Dioden­lasern. Die Wissenschaftler der JGU entwickelten das Strahl­aufteilungs- und Manipulations­system in enger Zusammen­arbeit mit der Gruppe um Klaus Sengstock von der Universität Hamburg. Das System basiert auf der speziellen Glaskeramik Zerodur der Schott AG, Mainz, und ist gegenüber Temperatur­änderungen sehr stabil.

Nach der Entwicklung von Hard- und Software hängt die Durchführung noch von verschiedenen Unsicherheits­faktoren ab. „Wenn man Pech hat, verschiebt sich der Raketen­start immer wieder um Tage oder sogar Monate – weil ein technisches Problem auftritt, das Wetter schlecht ist oder weil sich Rentier­herden im Landebereich befinden", so André Wenzlawski, wissenschaftlicher Mitarbeiter aus der Gruppe um Patrick Windpassinger und für die Johannes-Gutenberg-Universität Mainz beim Start in Schweden dabei. „Deshalb sind wir sehr glücklich, dass es nun geklappt hat." Für abschließende Erklärungen oder Ergebnisse ist es allerdings noch zu früh: Für die nächsten Jahre sind zwei weitere Raketenmissionen sowie Experimente auf der Internationalen Raum­station ISS geplant.

U. Mainz / DE