Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 5. Dezember 2023.

Am 2. Dezember 2023 um 08:30 Uhr mitteleuropäischer Zeit ist die Mission MAIUS-2 mit einem experimentellen Aufbau zur Erzeugung und Untersuchung von atomaren Quantensystemen vom Raumfahrtzentrum Esrange bei Kiruna (Nordschweden) aus erfolgreich ins Weltall gestartet. Ziel der Mission war die erstmalige gleichzeitige Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten aus zwei verschiedenen atomaren Spezies (Rubidium und Kalium) während eines Höhenforschungsraketenflugs. Außerdem sollten deren Eigenschaften sowie ihr Zusammenspiel in Schwerelosigkeit studiert werden. Da im Flug bei einem Teil des Lasersystems eine Fehlfunktion auftrat, konnte nur die Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten aus Rubidium, nicht aber aus Kalium (und entsprechend auch keine Gemische) realisiert und studiert werden. Dennoch können aus den vorangegangenen Messungen am Boden und den Untersuchungen während des Fluges zahlreiche Erkenntnisse gewonnen werden. Auch die für die Mission entwickelten Technologien werden bei der Realisierung von zukünftigen Weltraummissionen von großer Bedeutung sein.

Seitens der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist die Forschungsgruppe Experimentelle Quantenoptik und Quanteninformation um Prof. Dr. Patrick Windpassinger und Dr. André Wenzlawski beteiligt: In enger Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen der Humboldt-Universität zu Berlin und des Ferdinand-Braun-Instituts in Berlin sowie der Universität Hamburg entwickelten sie das hochkomplexe und dennoch miniaturisierte Lasersystem für die Mission. Dass diese Technologie für die Nutzung im Weltraum weitestmöglich verkleinert wird und dabei trotzdem funktionsfähig bleibt, ist eine wesentliche Grundlage für zukünftige Experimente, wie zum Beispiel für das geplante amerikanisch-deutsche Atomlabor „Bose Einstein Condensate and Cold Atom Laboratory (BECCAL)“ auf der Internationalen Raumstation (ISS).

Bei Bose-Einstein-Kondensaten handelt es sich um einen exotischen Zustand der Materie, bei dem die Atome eine Temperatur von weniger als einem Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt besitzen. Bose-Einstein-Kondensate bieten aufgrund ihrer extrem niedrigen Temperaturen die Möglichkeit, quantenmechanische Phänomene auf makroskopischer Ebene zu beobachten. Dies ermöglicht hochpräzise Messungen und eröffnet neue Möglichkeiten für die Erforschung der grundlegenden Naturkräfte. So soll beispielsweise die Universalität des freien Falls zukünftig mit Hilfe der Atominterferometrie auf die Probe gestellt werden. Atominterferometer basieren auf der Interferenz von Materiewellen, den Bose-Einstein-Kondensaten. Auch für eine genauere und hochaufgelöste Messung des Erdschwerefelds oder für die Navigation von zukünftigen Raumsonden stellen weltraumgestützte Atominterferometer einen vielversprechenden Ansatz dar.

Die Herausforderungen
Zur Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten werden die Atome zunächst mit Lasern und Magnetfeldern abgekühlt und gefangen. Aus einer sogenannten Magnetfalle werden anschließend die energiereichsten Atome durch das Einstrahlen von Mikrowellen entfernt. Hierdurch gelingt die Kühlung unterhalb der kritischen Temperatur von weniger als minus 273 Grad Celsius, und ein Bose-Einstein-Kondensat wird erzeugt. 2017 gelang im Rahmen des Projekts MAIUS-1 erstmals die Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats im All. MAIUS-1 wurde bereits als eines der komplexesten Experimente, welches je auf einer Höhenforschungsrakete geflogen ist, betitelt. In MAIUS-1 wurden Bose-Einstein-Kondensate mit Rubidium-Atomen erzeugt und erstmals Atominterferometrie im Weltraum durchgeführt.

In der neu entwickelten Nachfolge-Nutzlast sollten nun weitere vorbereitende Experimente für die Atominterferometrie mit zwei atomaren Spezies (Rubidium und Kalium) durchgeführt werden. Da zur Kühlung und Detektion der Atome Laserlicht nahe ihrer spezifischen Resonanzfrequenzen verwendet wird, ist es erforderlich, die doppelte Anzahl von Lasern inklusive der zu ihrem Betrieb erforderlichen Elektronik in die Nutzlast zu integrieren. Eine technologische Herausforderung für das Team der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler: Trotz der gesteigerten Komplexität der Nutzlast mussten die Masse und das Volumen des Aufbaus annähernd konstant gehalten werden.

Die Mission
In den etwa fünfeinhalb Minuten im Weltraum konnte die Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten mit Rubidium demonstriert und deren Verhalten im freien Fall untersucht werden. Zudem konnten die Forschenden die Erzeugung und das Verhalten kalter Atomwolken während der Brenndauer der Rakete untersuchen. Die Ergebnisse werden derzeit noch untersucht, und auch der Grund der Fehlfunktion ist Ziel einer eingehenden Untersuchung. Für abschließende Erklärungen oder Ergebnisse ist es allerdings derzeit noch zu früh.

„Die hier entwickelten Technologien und Experimente werden zukünftige Missionen auf Forschungsraketen und der Internationalen Raumstation ermöglichen und stellen somit einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zur Nutzung von Quantensensoren im Weltraum dar,“ erklärt André Wenzlawski, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe Windpassinger. Ein tiefgehendes Verständnis dieser Techniken und des Verhaltens der Gemische ist nicht nur für die Folgemission MAIUS-3, sondern auch für zukünftige Missionen auf der Internationalen Raumstation oder auf Satelliten essenziell. In diesen Experimenten sollen mit Hilfe von Atominterferometern im Weltraum bisher unerreichte Genauigkeiten erzielt werden. Die MAIUS-Höhenforschungsraketen leisten dabei Pionierarbeit für weitere Experimente mit kalten Atomen und Atominterferometern im Weltall.

Deutscher Forschungsverbund realisiert die Mission
Die Mission MAIUS-2 (Materiewellen-Interferometrie unter Schwerelosigkeit) wurde im Rahmen des Projektes QUANTUS IV – MAIUS durchgeführt. Dieses Projekt steht unter der Leitung des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) an der Universität Bremen im Verbund mit der Leibniz Universität Hannover, der Humboldt-Universität zu Berlin und dem Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) in Berlin sowie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. Dem Forschungsverbund gehören außerdem das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik in Hannover, das DLR-Institut für Softwaretechnologie in Braunschweig, die Universität Hamburg und die Mobile Raketenbasis des DLR (MORABA) an, welche auch die Startkampagne durchgeführt hat. Koordiniert und unterstützt wird das Projekt vom DLR Raumfahrtmanagement mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK).

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• Höhenforschungsraketen

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

26. Januar 2022 – Anfang Dezember 2021 startete das Projekt „Entwicklung eines Lasersystems für Experimente mit Bose-Einstein-Kondensaten auf der Internationalen Raumstation innerhalb der BECCAL-Nutzlast (BECCAL-II)“ unter Beteiligung eines Teams um Prof. Dr. Patrick Windpassinger und Dr. André Wenzlawski von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). In Zusammenarbeit mit der Humboldt-Universität zu Berlin, dem Ferdinand-Braun-Institut (FBH) und der Universität Hamburg soll in diesem Vorhaben ein Lasersystem für das BECCAL-Experiment zur Untersuchung von ultrakalten Atomen auf der Internationalen Raumstation (ISS) entwickelt werden.

Beim BECCAL-Experiment handelt es sich um eine Multi-Nutzer-Plattform, die zahlreichen nationalen und internationalen Wissenschaftlern für die Verwirklichung ihrer Ideen offenstehen wird. Die Plattform ermöglicht ihnen, eine Vielzahl von Experimenten unter anderem auf den Gebieten der Quantensensorik, der Quanteninformation oder der Quantenoptik durchzuführen.

Transport der BECCAL-Projekte zur ISS für Anfang 2026 geplant
Die ISS erlaubt dabei eine einzigartige Kombination von Schwerelosigkeit, Zugänglichkeit und einer hohen Anzahl von Experimenten. Dies macht unter anderem auch die Durchführung von Hochpräzisionsexperimenten, wie zum Beispiel zum Test des Einstein’schen Äquivalenzprinzips, möglich. „Für die Experimente ist es ideal, wenn auf die Wolke aus ultrakalten Atomen keine Kräfte wirken. Solche Bedingungen ermöglicht die Schwerelosigkeit“, erklärt André Wenzlawski von der Arbeitsgruppe Windpassinger zu dem Vorhaben.

Das BECCAL-Experiment ist ein Nachfolger des CAL-Projektes, das sich seit 2018 an Bord der ISS befindet und seitdem zahlreiche Experimente durchgeführt hat. Dabei soll BECCAL die experimentellen Möglichkeiten speziell auf den Gebieten der Präzisions-Atominterferometrie und der Manipulation der Atome mit verstimmten Lichtfeldern erweitern. Aber auch durch neue technologische Ansätze bei der Präparation des atomaren Ensembles wird eine allgemein bessere Performance angestrebt. Die Nutzlast ist für einen Start Anfang 2026 vorgesehen und soll die CAL-Apparatur im Destiny-Modul der ISS eins zu eins ersetzen.

In dem mit 3,4 Millionen Euro geförderten Teilprojekt will die Gruppe um Patrick Windpassinger, Professor am Institut für Physik der JGU, gemeinsam mit der Universität Hamburg ein zerodurbasiertes Strahlaufteilungs- und Schaltsystem entwickeln, realisieren und innerhalb der BECCAL-Nutzlast zum Einsatz bringen. In diese Entwicklungen fließen die Erkenntnisse von zahlreichen vorangegangenen Experimenten unter Schwerelosigkeit ein, wie beispielsweise MAIUS, QUANTUS oder KALEXUS, an denen die JGU bereits beteiligt war. „Bei diesen Experimenten konnten wir in der Vergangenheit sowohl die technologischen Grundlagen für die Verwirklichung eines solchen, extrem komplexen Experiments legen als auch erste fundamentale Tests zur Durchführbarkeit der angestrebten Experimente vornehmen“, sagt André Wenzlawski.

Die dafür benötigten robusten Lasermodule kommen aus dem FBH, das aktuell 55 der schmalbandigen Laserquellen fertigt. Die Humboldt-Universität zu Berlin koordiniert die Integration dieser Lasermodule zusammen mit dem optischen Strahlaufteilungs- und Schaltsystem in ein kompaktes Gesamtsystem. Die Finanzierung des Projektes erfolgt durch das Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags.

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• ISS Forschung & Forschungseinrichtungen

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Atominterferometer erlauben hochpräzise Messungen, indem sie den Wellencharakter von Atomen nutzen. Sie werden zum Beispiel für die Vermessung des Schwerefelds der Erde eingesetzt oder um Gravitationswellen aufzuspüren. Einem Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Deutschland ist es gelungen, an Bord einer Forschungsrakete erstmals ein Atominterferometer im Weltraum zu demonstrieren. „Somit haben wir die technologischen Voraussetzungen geschaffen, um Atominterferometrie auf einer Forschungsrakete zu realisieren und zu zeigen, dass derartige Experimente nicht nur auf der Erde, sondern auch im Weltraum möglich sind“, sagt Prof. Dr. Patrick Windpassinger vom Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), dessen Gruppe an dem Experiment beteiligt war. Die Ergebnisse der Analysen wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Ein von der Leibniz Universität Hannover geleitetes Team von Forschenden verschiedener Universitäten und Forschungszentren hatte im Januar 2017 die MAIUS-1-Mission gestartet und bei dieser Raketenmission erstmals ein Bose-Einstein-Kondensat im Weltraum erzeugt. Dieser spezielle Materiezustand entsteht bei der Kühlung – in diesem Fall von Rubidium-Atomen – auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius. „Dieses kalte Ensemble ist für uns ein sehr günstiger Ausgangspunkt für die Atominterferometrie“, erklärt Patrick Windpassinger. Die Temperatur ist einer der limitierenden Faktoren: Bei kalten Temperaturen können Messungen länger und genauer durchgeführt werden.

Atominterferometrie: Atome werden durch räumliches Aufspalten und anschließendes Überlagern zur Interferenz gebracht
Bei den Experimenten wurde das atomare Gas aus Rubidium-Atomen durch die Einstrahlung von Laserlicht aufgespalten und zu einem späteren Zeitpunkt wieder überlagert. Je nachdem, welche Kräfte auf die Atome auf den verschiedenen Pfaden einwirken, ergeben sich verschiedene Interferenzmuster, die dann im Umkehrschluss genutzt werden können, um die wirkenden Kräfte, wie die Gravitation, zu vermessen.

Voraussetzung für Präzisionsmessungen geschaffen
In der Forschungsarbeit wurde zunächst die Kohärenz, also die Interferenzfähigkeit des Bose-Einstein-Kondensats, als grundlegend notwendige Eigenschaft des atomaren Ensembles nachgewiesen. Dazu wurden die Atome im Interferometer durch Variation der Lichtsequenz nur partiell überlagert, was im Falle der Kohärenz zur Ausbildung einer räumlichen Dichtemodulation führte. Damit hat das Forschungsteam die grundlegenden Schritte für die Durchführung von Experimenten zur Vermessung des Schwerefeldes der Erde, zur Gravitationswellendetektion oder für einen Test des Einstein’schen Äquivalenzprinzips demonstriert.

Raketenmissionen MAIUS-2 und MAIUS-3 sollen weitere Messungen ermöglichen
Besonders die Möglichkeit der Nutzung der Atominterferometrie, um das Einstein’sche Äquivalenzprinzip einem hochpräzisen Test zu unterziehen, möchte das Team gerne bei den beiden kommenden Folgemissionen MAIUS-2 und MAIUS-3 weiter vorantreiben. Für 2022 und 2023 sind zwei weitere Raketenstarts geplant, bei denen neben Rubidium-Atomen auch Kalium-Atome zur Interferenz gebracht werden sollen. Durch den Vergleich der Fallbeschleunigung der beiden Atomsorten soll, so die Erwartungen, eine Messung des Äquivalenzprinzips mit bisher unerreichter Präzision ermöglicht werden. „Ein solcher Test wäre dann eine Zielstellung für zukünftige Experimente auf Satelliten oder der ISS, wie zum Beispiel dem in der Planungsphase befindlichen BECCAL-Experiment. Dort sind die erreichbaren Genauigkeiten nicht durch die limitierte Freifallzeit auf der Rakete begrenzt“, erklärt Dr. André Wenzlawski aus der Arbeitsgruppe von Windpassinger, der an den Raketenmissionen direkt beteiligt ist.

Damit reiht sich dieses Experiment in das hochaktuelle Feld der Quantentechnologien ein, in dessen Zusammenhang auch Entwicklungen auf den Gebieten der Quantenkommunikation, der Quantensensorik und des Quantencomputings zu nennen sind.

Die Höhenforschungsraketenmission MAIUS-1 wurde in einem Verbundprojekt zwischen der Leibniz Universität Hannover, der Universität Bremen, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, der Universität Hamburg, der Humboldt-Universität zu Berlin, dem Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik Berlin und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) durchgeführt. Die Finanzierung des Projektes erfolgt durch das Raumfahrtmanagement des DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags.

Veröffentlichung:
Maike D. Lachmann et al.
Ultracold atom interferometry in space
Nature Communications, 26. Februar 2021
DOI: 10.1038/s41467-021-21628-z

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• Ultrakalte Atominterferometrie im Weltraum (26. Februar 2021)

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• Wie erzeugt man die Energie für ein Bose-Einstein-Kondensat im Weltraum?

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Quelle: Leibniz Universität Hannover.

Einem Team von Forschenden unter Leitung der Leibniz Universität Hannover gelang im Rahmen der MAIUS-1 Raketenmission 2017 erstmals die Erzeugung sogenannter Bose-Einstein Kondensate im Weltraum. Bose-Einstein Kondensate beschreiben einen exotischen Materie-Zustand nahe dem Temperatur-Nullpunkt und können mit einer einzelnen Wellenfunktion beschrieben werden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben in aufwändigen Analysen die verschiedenen Komponenten des Kondensats analysiert und die Ergebnisse nun in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Sie sehen darin den Startpunkt für extrem genaue Messungen mit Atominterferometrie im Weltraum.

Mögliche Anwendungen finden sich laut Dr. Maike Lachmann vom Institut für Quantenoptik und eine der Mitautorinnen der Studie beispielsweise in präzisen Tests fundamentaler Physik (etwa der Universalität des freien Falls), in der hochgenauen Navigation, der Erdbeobachtung durch die Vermessung des Schwerefeldes der Erde aber auch in der Suche nach dunkler Energie, oder der Gravitationswellendetektion.

Bose-Einstein-Kondensate im All gelten gegenwärtig als die vielversprechendste Quelle für Atominterferometrie. Dazu wird eine Materiewelle frei fallen gelassen und mit Hilfe eines Interferometers analysiert. Die Messung wird umso genauer, je länger die Freifallzeit im Interferometer dauert. Auf der Erde kann die Schwerelosigkeit für kurze Zeit in speziellen Falltürmen oder sehr langen Vakuumkammern erreicht werden. Im All können hingegen deutlich längere Fallzeiten und damit genauere Messungen erreicht werden.

Im Fall der MAIUS-Mission nutzten die Forschenden für das Bose-Einstein Kondensat eine Wolke aus Rubidium-Atomen, die durch die Interaktion mit Licht- und Magnetfeldern nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt wurde. Alle Teilchen der Wolke lassen sich dann mit einer einzigen Wellenfunktion beschreiben. Mit Hilfe von Atominterferometrie mit einer speziellen Geometrie, konnte die Kohärenz, also die Interferenzfähigkeit des Ensembles nachgewiesen werden. Dazu wird das Wellenpaket räumlich geteilt und wieder rekombiniert. Durch einen kleinen räumlichen Versatz der Wellenpakete bei der Rekombination bilden sich Interferenzen, die auf der Dichteverteilung des Ensembles in horizontalen Streifen sichtbar werden und die Kohärenz des Ensembles auf Zeitskalen einiger Millisekunden belegen. Diese Methode dient zur hochpräzisen Messung von Trägheitskräften mit unerreichter Genauigkeit.

Zum anderen konnte durch Veränderungen der Stärke der beteiligten Lichtfelder die Dichteverteilung der Materiewelle verändert und so eine Phasenverteilung aufgeprägt werden, was in einer vertikalen Streifenstruktur sichtbar wird. Damit können die Umgebungsbedingungen analysiert und in diesem Fall eine Magnetfeldkrümmung im Hintergrund festgestellt werden.

Das Forschungsprojekt ist eine Kooperation unter der Federführung der Leibniz Universität Hannover. Partner sind die Humboldt-Universität zu Berlin (HUB), das Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation Universität Bremen (ZARM Bremen), die Universität Hamburg (UHH), die Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und das Ferdinand-Braun-Institut und Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik Berlin (FBH).

Originalveröffentlichung
Ultracold atom interferometry in space
Maike D. Lachmann, Holger Ahlers, Dennis Becker, Aline N. Dinkelaker, Jens Grosse, Ortwin Hellmig, Hauke Müntinga, Vladimir Schkolnik, Stephan T. Seidel, Thijs Wendrich, André Wenzlawski, Benjamin Weps, Naceur Gaaloul, Daniel Lüdtke, Claus Braxmaier, Wolfgang Ertmer, Markus Krutzik, Claus Lämmerzahl, Achim Peters, Wolfgang P. Schleich, Klaus Sengstock, Andreas Wicht, Patrick Windpassinger, Ernst M. Rasel
Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-021-21628-z

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