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: Ferdinand-Braun-Institut gGmbH 2. Juni 2022.

2. Juni 2022 – Vom 22. bis 24. Juni 2022 präsentiert das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) auf der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung (ILA) in Berlin weltraumtaugliche Diodenlaser-Module mit schmaler Linienbreite, optische Frequenzreferenzen sowie weitere III/V-Komponenten für Satelliten- und Quantentechnologie-Anwendungen. Das Institut deckt dabei die komplette Wertschöpfungskette ab – vom Chipdesign über die Prozessierung bis hin zu Modulen und Systemen. Seine Entwicklungen stellt das FBH am Gemeinschaftsstand der Berlin-Brandenburg Aerospace Allianz, in Halle 1, Stand 240 aus.

Lasersysteme für quantenoptische Präzisionsexperimente
Das FBH entwickelt und fertigt seit vielen Jahren robuste und kompakte Diodenlasermodule für anspruchsvolle Weltraumanwendungen. Diese Module haben ihre Leistungsfähigkeit bereits mehrfach in Experimenten unter Schwerelosigkeit bewiesen. Am Stand zeigt das Institut eines der 55 ultra-schmalbandigen Lasermodule, die es für die BECCAL-Apparatur (Bose-Einstein Condensate – Cold Atom Laboratory) entwickelt hat und aktuell fertigt. Sie sollen ab 2024 in der Forschungsanlage für quantenoptische Experimente mit ultra-kalten Atomen an Bord der internationalen Raumstation ISS eingesetzt werden. Fundamentalphysikalische Fragestellungen mit Quantenobjekten sollen damit nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt (-273,15 °C) hochgenau untersucht werden.

Kernstücke dieser und bisheriger Diodenlasermodule sind am FBH entwickelte Laserdioden, die gemeinsam mit Optiken und weiteren passiven Elementen mit höchster Stabilität und Präzision aufgebaut werden. Die mikrointegrierten Lasermodule basieren auf der institutseigenen, patentierten MiLas®-Technologie die speziell für den Einsatz im Weltraum entwickelt wurde. Sie sind extrem robust, zeichnen sich durch geringe Abmessungen von nur 125 x 75 x 23 mm³ und eine geringe Masse (750 g) aus. Dabei erreichen sie exzellente Ausgangsleistungen von > 500 mW bei zugleich schmaler intrinsischer Linienbreite < 1 kHz. Parallel arbeitet das FBH schon an einer noch kompakteren Variante und überträgt das bewährte Konzept der hybrid-aufgebauten Extended Cavity Diode Laser (ECDL) derzeit auf einen einzigen Chip.

In enger Zusammenarbeit mit der Humboldt-Universität zu Berlin werden derartige Module auch zu kompakten Quantensensoren und optischen Uhren für den Einsatz im Weltraum und für industrietaugliche Systemlösungen in der Quantentechnologie aufgebaut. Das gemeinsame Joint Lab präsentiert eine völlig autonome frequenzstabilisierte Laserquelle mit integrierter DFB-Laserdiode, die auf dem D2-Übergang in Rubidium bei 780 nm basiert.

Lasermodule für Satelliten: von Kommunikation bis Klimaschutz
Zu den Entwicklungen zählen auch Pumplaserquellen, die in Laserkommunikationsterminals zur optischen Datenübertragung (EDRS) oder zur Satellitenüberwachung des klimaschädlichen Methangases (MERLIN) genutzt werden. Jedes FBH-Modul für MERLIN ist mit zwei Hochleistungslaser-Halbbarren ausgestattet, die 130 W gepulste Emission bei 808 nm Wellenlänge liefern. Ihre Zuverlässigkeit über die gesamte Missionsdauer wurde in unabhängigen Tests bestätigt.

Neu entwickelte DBR-Laserarray-Module bieten dank eines integrierten Bragg-Reflektors auf Chipebene sowohl ein geringes Rauschen als auch eine hohe Zuverlässigkeit. Qualifiziert wurden die Module im Dauerbetrieb für mehr als 15 Jahre. Damit eignen sie sich als Flughardware beispielsweise zum Pumpen von Nd:YAG-Lasern für die optische Datenkommunikation.

Energieeffiziente Komponenten für Satellitenkommunikation und -sensorik
Wegen ihrer hohen Strahlungshärte und der möglichen hohen Schaltfrequenzen eignen sich Galliumnitrid (GaN)-Schalttransistoren besonders für das Power Conditioning in Satelliten. Der vom FBH entwickelte 10 A/400 V Aluminiumnitrid Power Core mit GaN-Leistungstransistoren in Halbbrücken-Konfiguration minimiert Streuinduktivitäten und Kapazitäten der Schaltzelle. Dabei werden Leistungsschalter, Gatetreiber und DC-Link-Kondensatoren extrem kompakt heterointegriert und die Wärme wird effizient durch das Aluminiumnitrid-Substrat abgeführt. So konnten die Schaltzeiten der Leistungszelle gegenüber einem konventionellen Aufbau mit diskreten Bauelementen halbiert werden. Hohe Schaltfrequenzen bei gleichzeitig hohem Konverter-Wirkungsgrad sind die Voraussetzung für Leistungskonverter mit besonders hoher Leistungsdichte. Ein zentraler Aspekt, da jedes Gramm im Weltraum zählt. Erst kürzlich ist es gelungen, die Größe eines Konverters weiter zu reduzieren – bei gleicher Leistung.

Wirkungsgrad und Verlustleistung sind kritische Punkte auch bei den Sendeverstärkern in Satelliten. Daher entwickelt das FBH Konzepte zum Envelope Tracking – eine bekannte Technik, um die Effizienz von Hochfrequenz-Leistungsverstärkern zu steigern.

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• ILA Berlin

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Quelle: DLR 30. Mai 2022.

30. Mai 2022 – Zentimetergenaue Navigation, ein abhörsicheres Internet oder autonome Steuerung von Fahrzeugen ohne Funkverbindung – das Versprechen neuartige Instrumente auf Basis quantenmechanischer Verfahren und Methoden. Das Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Hannover entwickelt solche Technologien. Am 30. Mai 2022 wurde das Institut offiziell eröffnet. Zukünftig sollen rund 100 Mitarbeiter in sechs Abteilungen an den Standorten Hannover und Bremen tätig sein.

Quantentechnologien werden die Welt verändern
„Quantentechnologien werden die Welt dramatisch verändern“, sagte Prof. Anke Kaysser-Pyzalla, Vorstandsvorsitzende des DLR anlässlich der Eröffnung, „Mit satellitengestützter Satellitengeodäsie und der Inertialsensorik, wird es uns zukünftig möglich sein, den Klimawandel zu beobachten, Masseveränderungen der Eismassen zu vermessen und Rückschlüsse auf den Haushalt des Grundwassers zu ziehen.“

Die Lösung gesellschaftsrelevanter Herausforderungen wie Klimawandel, Wasserressourcen, Energieversorgung, Digitalisierung, zukünftige Mobilität und Sicherheit wird von den Innovationen der Quantentechnologie und Quantensensorik profitieren. Dasselbe gilt für zukünftige Raumfahrtmissionen. So werden die Quantenmetrologie und die mit ihr eng verbundene Quantensensorik neue Präzisionsstandards setzen und neue Anwendungsfelder erschließen, deren Potenzial heute beispielsweise für zukünftige autonome Systeme noch nicht absehbar ist. Mit Quantentechnologie modernisierte Satelliten sowie innovative neue Satellitenkonzepte werden um Größenordnungen leistungsfähiger als die aktuelle Generation sein.

Quantenforschung in Niedersachsen und Bremen stark vertreten
Mit der Gründung des DLR-Instituts für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik im Sommer 2019 hat sich das DLR eine gute Position geschaffen, um diese Entwicklung für die Lösung gesellschaftlicher Fragen auch dank eines aktiven Technologietransfers für den Wirtschaftsstandort Deutschland mit zu steuern. Eingebettet in ein renommiertes wissenschaftliches und infrastrukturelles Umfeld in Hannover und Bremen, wird das DLR den Transfer aus der hier stark vertretenen quantentechnologischen Grundlagenforschung in innovative Anwendung gemeinsam mit der Industrie gestalten.

Auch für die satellitengestützte Erdbeobachtung, Kommunikation und Navigation bietet die Quantensensorik ein großes Potenzial. Quanteneigenschaften (wie die quantenmechanische Verschränkung und das Superpositionsprinzip oder Methoden der Materiewellen-Interferometrie) ermöglichen die Entwicklung von neuartigen, hoch empfindlichen und sichereren Sensoren. Quantensensorik basierend auf der Materiewellen-Interferometrie ermöglicht, Rotation und Beschleunigung mit beispielloser Langzeitstabilität zu messen und kann beispielsweise zur Flugstabilisierung und -navigation eingesetzt werden. Eine Weiterentwicklung dieser Technologie verspricht zukünftige hochpräzise Lageregelung von Satelliten, zur Abstandsregelung bei Formationsflügen eines Satellitenschwarms oder auch zur präzisen Schwerefeldvermessung der Erde oder anderer Himmelskörper.

So genannte optische Atomuhren mit lasergekühlten Quantengasen bieten um Größenordnungen höhere Genauigkeit für zukünftige raum-zeitliche terrestrische und weltraum-basierte Navigationssysteme. Zu den neuen Möglichkeiten zählen unter anderem relativistische Geodäsie (global geodätische Höhenprofile mit Genauigkeit im Zentimeter-Bereich), ein sicheres Internet und komplexe Netzwerk-Topologien.

Eine anstehende Mission des Instituts ist das Experiment BECCAL (Bose-Einstein-Condensate & Cold Atom Laboratory), dass 2026 auf die Internationale Raumstation ISS gebracht werden soll. BECCAL ist ein gemeinsames Projekt mit der NASA. Dieses Projekt, bei dem internationale Forschergruppen vielfältige Experimente in Schwerelosigkeit durchführen werden, ist gleichzeitig auch eine Demonstrationsmission, die die Reife und die Möglichkeiten dieser Technologie zeigen wird.

Das Land Niedersachsen hat im Vorfeld der Gründung zwei Millionen Euro in die Aufbauplanung des Instituts investiert und für den Aufbau des Instituts insgesamt weitere 17 Millionen Euro bewilligt. Zukünftig wird das Institut mit jährlich zehn Millionen Euro aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), 890.000 Euro aus Mitteln des Landes Niedersachsen sowie 220.000 Euro aus Mitteln des Landes Bremen finanziert.

Zitate:
Dr. Anna Christmann, Koordinatorin der Bundesregierung für die Deutsche Luft- und Raumfahrt, Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz: „Quantentechnologien zählen zweifelsohne zu den Schlüsseltechnologien für die Lösung der großen Herausforderungen. Quantenbasierte Technologien wie die Quantensensorik werden in Zukunft von erheblicher Bedeutung für den Wirtschaftsstandort Deutschland aber auch zur Bewältigung der Klimakrise sein. Das neue Institut in Kooperation mit den starken Forschungsstandorten in Hannover und Bremen wird die gesamte Bandbreite der Wertschöpfungskette von den quantenphysikalischen Grundlagen bis zu praktischen Anwendungen bedienen. Die Technologietransferprozesse des DLR spielen hierbei eine maßgebliche Rolle.“

Björn Thümler, Minister für Wissenschaft und Kultur des Landes Niedersachsen: „Die Erforschung der Quantenwissenschaften mit ihren Phänomenen und Methoden wird einer der wichtigsten Treiber für Innovationen, neue Technologien und zukünftiges Wirtschaftswachstum sein. Die Suche nach Lösungen für gesellschaftsrelevante Herausforderungen – wie Klimawandel, Wasserressourcen, Energieversorgung, Digitalisierung, Mobilität und Sicherheit – wird von neuen Erkenntnissen in der Quantentechnologie und Quantensensorik, nach denen im DLR-Institut in Hannover gestrebt wird, erheblich profitieren. Innovationen in den Quantenwissenschaften werden zudem in zukünftigen Raumfahrtmissionen neue Perspektiven eröffnen.“

Claudia Schilling, Senatorin für Wissenschaft und Häfen sowie Senatorin für Justiz und Verfassung der Freien Hansestadt Bremen: „Bremen verfügt über eine ausgezeichnete Forschungslandschaft und ist mit dem ZARM, dem DLR-Institut für Raumfahrtsysteme und dem Fallturm auch in der Raumfahrtforschung bestens aufgestellt. Daneben gibt es namhafte Industrieunternehmen, die in diesem Bereich auch international hervorragend ausgewiesen sind, wie zum Beispiel die Unternehmen Airbus Group oder OHB SE. Seit vielen Jahren gibt es eine ausgezeichnete Zusammenarbeit zwischen ForscherInnengruppen aus Hannover und Bremen, die in dem QUANTUS-Konsortium maßgeblich an der Entwicklung und Erprobung weltweit erster weltraumtauglicher Quantensensoren für die Gravimetrie und Inertialsensorik kooperierten. Es war daher eine Win-win-Situation für beide Seiten, dass das neue DLR-Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik an beiden Standorten beheimatet ist. Es ist bezeichnend, dass Forschende beider Standorte inzwischen mit Gremien der EU-Kommission, der ESA und der NASA auf Augenhöhe mit internationalen Spitzenforschungseinrichtungen zusammenarbeiten, um die innovativen Lösungen der satellitenbasierten Quantensensorik möglichst bald in den Weltraum zu bringen. Das BECCAL-Projekt ist hierfür ein exzellentes Beispiel.“

Volker Epping, Präsident Leibniz Universität Hannover (LUH): „Das DLR-Institut in Hannover bietet hervorragende Synergien, beispielsweise zur Forschung in den Quantentechnologien der Leibniz Universität. Die Stärke sowohl in der Geodäsie als auch in der quantentechnologischen Grundlagenforschung ergänzt sich dabei ideal mit den Anwendungsfeldern der Quantensensorik, gefördert durch das DLR-Institut. Dies erhöht auf beiden Seiten auch die Attraktivität für den Forschungsnachwuchs, nicht zuletzt durch den Bezug zu Weltraummissionen.“

Dr. Ronald Holzwarth, Geschäftsführer, Menlo Systems GmbH: „Der High-Tech-Bereich der nationalen Wirtschaft hat das große Potenzial der Quantentechnologien für den Wirtschaftsstandort Deutschland erkannt. Die Wirtschaft steht hier auch im direkten internationalen Wettbewerb, nicht nur um die stark nachgefragten Fachkräfte, sondern auch den Zugang zum Knowhow im Spitzentechnologie-Bereich. Das neue DLR-Institut bietet hier erstklassige Anknüpfungspunkte mit der Industrie, auch um Innovationen aus dem Bereich der Quantentechnologien und insbesondere der Quantensensorik in den Markt zu bringen. Dabei erschließt das DLR-Institut die gesamte Vielfalt quantenphysikalischer Methoden und Techniken für bahnbrechende Entwicklungen.“

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• Quantenkommunikation im Weltraum?

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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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• ***ISS*** – Forschung & Forschungseinrichtungen

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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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