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Donnerstag, 16. November 2017, Ausgabe Nr. 46

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Physik

Die Zeit im Schuhkarton

Von Stephan W. Eder | 10. August 2017 | Ausgabe 32

Die Industrie arbeitet heute mit Atomuhrtechnik der 1960er-Jahre als Zeitreferenz. Forscher tüfteln an der übernächsten Generation dieser Zeitmesser.

w - Atomuhren Miniaturisierung BU
Foto:   Ulrich Zillmann

Kompaktbauweise: Die Physiker der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt komprimieren die Technik der Strontium-Gitteruhren, die Labortische füllt, in DIN-A4-große Gehäuse.

Telekommunikations- und Energienetzbetreiber benötigen eine Synchronisierung in ihren Netzen. Daher betreiben sie an einzelnen Hauptknoten Atomuhren. „Für 70 000 € bis 100 000 € kann man eine Cäsium-Atomuhr kaufen. Wenn man die gut betreibt, erhält man eine Genauigkeit auf die 13. oder 14. Stelle hinter dem Komma“, erklärt Ekkehard Peik, Leiter des Fachbereichs „Zeit und Frequenz“ bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig, die die deutsche gesetzliche Zeit vorgibt und verteilt.

Foto: PTB

Für die weltweit erste transportable optische Atomuhr wurde der Inhalt mehrerer Labors in 19-Zoll-Racks komprimiert. Hinzu kommen eine Vakuumapparatur und ein Arbeitstisch.

In dem sehr engmaschig vernetzten europäischen Wechselstromnetz versucht man zum Beispiel über präzise Zeitmessungen Phasenstörungen lokalisieren zu können. „Dadurch lässt sich im Prinzip auch feststellen, wenn ein Baum auf eine Überlandleitung fällt“, erläutert Peik. Zehn Jahre halten solche Uhren, sie passen in die üblichen 19-Zoll-Laborracks.

Neben den Cäsium-Atomuhren gibt es weitere kommerzielle Technologien für Zeitreferenzen, die in der Industrie, der Luft- und Raumfahrt und beim Militär Einsatz finden. So wird Rubidium mit einer Uhrenfrequenz im Mikrowellenbereich genutzt. 2011 brachte der US-Industriezulieferer Microsemi eine Chip Scale Atomic Clock auf Rubidium-Basis für 1500 $ auf den Markt. Das Volumen ist gerade mal so groß wie das eines Schnapspinnchens. Die Genauigkeit gibt der Hersteller mit 5 x 10–11 an.

Damit ist die Uhr zwar deutlich ungenauer als die großen stationären Atomuhren, aber immer noch fast 100 000-mal genauer als eine Quarzuhr.

Die genaueren, heute gebräuchlichen Cäsium-Atomuhren basieren im Prinzip auf der vorletzten Generation dieser Technologie. Sie werden mit verdampftem Cäsium aus einem Atomstrahlofen betrieben. Die aktuelle Uhrengeneration, auf der weltweit die Atomzeitskala maßgeblich basiert, sind lasergekühlte Cäsium-Fontänenuhren. Kommerziell verfügbar sind sie nicht – es existiert gerade mal ein Dutzend weltweit.

Aber es tut sich was: „Es gibt in Frankreich ein Start-up, das eine Rubidium-Fontänenuhr mit kalten, lasergekühlten Atomen bauen möchte“, weiß Peik. Ein Gerät, das in etwa so groß wie ein Kühlschrank sein solle. „Den Schalter umlegen – und nach ein paar Stunden kommt ein stabiles Signal raus.“ Fernziel sei es, die heute für genaue Zeitmessungen in der Satellitentechnik üblichen Wasserstoffmaser zu ersetzen.

„Die ESA ist dabei, für die ISS oder eine Folge-Weltraumstation zu überlegen, ob man dort eine optische Atomuhr betreiben kann“, weiß Uwe Sterr, Leiter der Arbeitsgruppe „Längeneinheit“ bei der PTB. Es sei schon lange im Gespräch, eine Cäsium-Atomuhr zur ISS zu bringen, das solle jetzt 2019 passieren.

Die PTB hat zusätzlich eigene Pläne: Derzeit läuft das Projekt Qutega, eine nationale Initiative zur Förderung von Quantentechnologien. Hier hat die PTB zusammen mit Unternehmen den Vorschlag gemacht, eine kommerzialisierbare Atomuhr auf Basis einer optischen Uhr zu bauen – mit dem Ziel, eine kühlschrankgroße Anlage zu erhalten. „Eine etwas vereinfachte Version unserer Ytterbium-Ionenuhr versuchen wir in den nächsten drei Jahren so zu entwickeln, dass man sie wie ein Gerät einfach einschalten und dann damit arbeiten kann“, sagt Peik.

Foto: PTB

Dieser Anhänger der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) enthält die transportable optische Strontium-Atomuhr. Inzwischen steht er in Paris.

Was die Braunschweiger Physiker als „Uhr“ bezeichnen, sind aus Sicht des Laien mehrere optische Tische zu jeweils 3 m2 bis 4 m2 – bestückt mit sehr, sehr vielen Spiegel, Linsen, Modulatoren und Vakuumapparaturen. „Das ist der Laboraufbau“, erklärt Peik, „aber es bietet sich an, es zu kompaktifizieren. Alle Laserquellen, die man dazu braucht, sind Diodenlaser.“ Als Ziel für die Größe der Vakuumapparatur für die kommerzielle optische Ionenuhr nennt er „etwa faustgroß“. Für das eigentliche Fallenvolumen reichten ein paar Kubikzentimeter, so Peik.

Ebenfalls an der PTB leitet Christian Lisdat die Arbeitsgruppe „Optische Gitteruhren“. Deren Strontium-Atomuhr ist der PTB-interne Konkurrent zur Ytterbium-Ionenuhr. Und weil Lisdat Atome statt Ionen nutzt, ist der experimentelle Aufbau, den es für eine kompakte Atomuhr zu komprimieren gilt, noch etwas umfangreicher.

Die Gitteratomuhr arbeitet in Zyklen, jeder 1,5 s lang. „Erst sammeln wir die Atome, dann werden sie mit Lasern gekühlt, danach in den richtigen Zustand präpariert“, erklärt Lisdat. „Sind wir so weit, können wir die Uhrenlaserfrequenz mit der atomaren Frequenz vergleichen; wir schauen, was dabei rausgekommen ist – dabei fliegen die Atome weg – und dann fangen wir wieder von vorne an.“ Solche Aufbauten benötigen acht bis zehn verschiedene Laser.

Die Braunschweiger Wissenschaftler haben schon viel geübt in Sachen Miniaturisierung, denn die komplette Strontium-Gitteruhr, die sich samt Uhrenlaser auf mehrere Labors erstreckt, haben sie in Racks verbaut und in eine Art Pferdeanhänger gesteckt. „Das ist weltweit die erste einsatzfähige, transportable optische Uhr, die es gibt“, betont Lisdat. Die haben sie von Braunschweig aus auf den Weg nach Paris geschickt, damit sie vor Ort die Strontium-Atomuhr des LNE (Laboratoire national de métrologie et d’essais) und die eigene Strontium-Uhrentechnologie direkt miteinander vergleichen können.

Lisdats Kollege Sterr entwickelt die optischen Resonatoren, die die Uhrenlaser stabilisieren. „Wir entwickeln kleine transportable Resonatoren“, sagt Sterr. „Wir haben Projekte mit Industrieunternehmen, die versuchen wollen, daraus ein Produkt zu machen“, verrät er. Diese Form der Hightechoptik ist ein spezielles Geschäft. Eine der wenigen Unternehmen, die dafür Komponenten liefern, ist die deutsche Firma Menlo, die Frequenzkämme herstellt (s. VDI nachrichten, Nr. 12/2017). Sie nutzt auch Sterr.

In Lisdats Labor, in dem die Strontium-Gitteruhr aufgebaut ist, stehen auf einem Arbeitstisch zwei flache Aluminiumboxen mit der Grundfläche eines DIN-A4-Blattes, vollgestopft mit elektrooptischem Equipment. „Vorher war das ganze Lasersystem, das jetzt in diesen Kisten steckt, dort hinten aufgebaut“, erklärt Lisdat und weist auf eine knapp schreibtischgroße Fläche.

Würde man das Ganze industriell machen, wäre es möglich, noch einen Faktor zwei zu gewinnen, aber: „Da fehlen uns die Möglichkeiten und Technologien. Wir sind Physiker, keine Ingenieure“, gibt Lisdat zu bedenken.

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