Quelle: Universität Hamburg.

12. April 2022 – In der Schwerelosigkeit der Internationalen Raumstation lassen sich Experimente verwirklichen, die auf der Erde nicht möglich wären. Im Rahmen eines Verbundprojektes bauen Forschende vom Fachbereich Physik der Universität Hamburg jetzt ein vollständiges Quantengasexperiment auf, das im Weltraum zum Einsatz kommen soll.

Das Experiment wird für das Verbundprojekt „Entwicklung eines Lasersystems für Experimente mit Bose-Einstein-Kondensaten auf der Internationalen Raumstation innerhalb der BECCAL-Nutzlast (BECCAL-II)“ entwickelt. Das Hamburger Team um Prof. Dr. Klaus Sengstock und Dr. Ortwin Hellmig vom Institut für Laserphysik und dem Zentrum für Optische Quantentechnologien entwickelt dazu – gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) – in einem mit einer Million Euro geförderten Teilprojekt ein Lasersystem zur Untersuchung von ultrakalten Quantengasen. In diese Arbeit fließen die Erkenntnisse von zahlreichen vorangegangenen Experimenten unter Schwerelosigkeit ein, wie beispielsweise MAIUS, QUANTUS oder KALEXUS, an denen die Universität Hamburg ebenfalls beteiligt war.

„Bei diesen Experimenten konnten wir in der Vergangenheit schon die außergewöhnliche Stabilität der in Hamburg entwickelten Optik unter Beweis stellen. Für die Raketenmission MAIUS im Januar 2017 haben wir zum Beispiel ein voll funktionsfähiges Lasersystem mit vergleichbarer Komplexität entwickelt. Wir freuen uns daher sehr über die erneute Chance“, sagt Ortwin Hellmig. Klaus Sengstock forscht zudem auch im Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ an ultrakalten Quantengasen, sodass auch die dort gewonnene Expertise in das neue Projekt einfließt.

2026 geht’s zur ISS
BECCAL-II ist ein Teil des „Bose Einstein Condensate Cold Atom Laboratory“ (BECCAL), einem Nachfolger des CAL-Projekts, in dessen Rahmen seit 2018 zahlreiche Experimente auf der Internationalen Raumstation (ISS) durchgeführt wurden. Anfang 2026 soll das neue System zur ISS gebracht werden und die vorherige Apparatur ersetzen. Die Laufzeit ist auf drei Jahre ausgelegt.

Beim BECCAL-Experiment handelt es sich um eine Multi-Nutzer-Plattform, die nationalen und internationalen Wissenschaftlerinnen und 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. BECCAL soll speziell die experimentellen Möglichkeiten auf den Gebieten der Präzisions-Atominterferometrie und der Manipulation der Atome mit verstimmten Lichtfeldern erweitern. So wird untersucht, wie die Welleneigenschaften von bestimmten Atomen miteinander interagieren und wie bestimmte Frequenzen des Lasers sich auf die Atome auswirken.

BECCAL
BECCAL ist ein Kooperationsprojekt zwischen dem forschenden Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), der DLR-Agentur und der US-Raumfahrbehörde NASA. Durch diesen Kooperationsvertrag sind weitere Institute beteiligt, wie das DLR-QT, DLR-SI, DLR-SC, das Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation, die Leibniz Universität Hannover, das Ferdinand-Braun-Institut für Hochfrequenztechnik (FBH), die Universität Hamburg, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), die Humboldt-Universität zu Berlin (HUB), OHB System AG und Fierlinger Magnetics. Im Verbundprojekt BECCAL-2 zur Entwicklung des Lasersystems für die Nutzlast BECCAL arbeitet die Universität Hamburg mit der HUB, der FBH und der JGU zusammen. Das Förderkennzeichen ist DLR-50WP2103.

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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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