Navi der Zukunft braucht kein GPS

Quantensensoren der Sandia National Laboratorie steuern mit höchster Präzision

Vakuumkammer: sie macht GPS überflüsig (Foto: Bret Latter, sandia.gov)

Albuquerque (pte003/28.10.2021/06:10)

Eine Vakuumkammer, so groß wie eine Avocado, die eine Wolke aus Atomen beherbergt, könnte eine Navigation ohne das allgegenwärtige GPS oder das präzisere europäisches Galileo ermöglichen. Es ist eine Kombination aus atomarem Beschleunigungsmesser und einem extrem genauen Gyroskop, das Drehbewegungen misst. Das Gerät ist so klein, dass es an Bord von Fahrzeugen und Flugzeugen verwendet werden kann, wenn es einmal aus dem Laborstandard herauskommt und in Serie gefertigt werden kann.

[b]Rubidiumatome verraten den Kurs[/b]

In der Kammer, deren Wände aus Titan sind, die für Fenster aus Saphir unterbrochen sind, bewegt sich die Wolke aus Rubidiumatomen in Abhängigkeit von der Bewegung der Kammer. Beschienen wird sie von einem Laserstrahl, der gebrochen und reflektiert wird und sich teilweise auf Grund von Interferenz auslöscht. Aus all diesen Signalen lassen sich Beschleunigung – auch negative beim Bremsen – und Richtungswechsel ableiten, und zwar mit so großer Präzision, dass Korrekturen von außen nicht nötig sind.

[b]Bisherige Geräte sind viel zu groß[/b]

Peter Schwindt, Wissenschaftler an den Sandia National Laboratories https://www.sandia.gov/ (SNL) in Albuquerque im US-Bundesstaat New Mexico, und Postdoc Bethany Little entwickelten die Kammer als Kerntechnologie für zukünftige Navigationssysteme, die nicht auf Satelliten angewiesen sind. Atomare Beschleunigungsmesser und Gyroskope gibt es bereits, aber sie sind zu sperrig und stromhungrig, als dass sie mobil genutzt werden könnten. Das liegt daran, dass sie eine großes Vakuumkammer benötigen, um zu funktionieren.

[b]Ein Kubikzentimeter muss genügen[/b]

Den SNL-Wissenschaftlern ist es gelungen, die Kammer drastisch zu verkleinern. Mit ihrem Sensor setzen sie auf Quantenmechanik, die herkömmliche Technologien ziemlich alt aussehen lassen. „Quantensensoren sind im Kommen, und es gibt viele Anwendungen, die im Labor funktionieren", sagt Little. „In der realen Welt sieht das ganz anders aus. Da müssen noch viele Probleme gelöst werden." Die Physik finde in einem Volumen von einem Kubikzentimeter statt. Alles, was darüber hinausgehe, sei verschwendeter Raum.

[b]Verzicht auf eine Vakuumpumpe[/b]

Genau diese Verkleinerung gilt es zu schaffen. Mit einer Vakuumpumpe ist das nicht möglich. Stattdessen saugen die Forscher Luft aus dem Behälter, indem sie die Moleküle chemisch binden. Diese Getter genannten Systeme sind gerade mal so groß wie Radiergummis. Sie befinden sich in zwei Rohren, die aus der Kammer herausragen. Die Kammer soll jetzt fünf Jahre lang betriebsbereit bleiben, ohne Eingriffe von Außen. 

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