Quelle: GFZ 29. Mai 2024.

29. Mai 2024 – Gemeinsam mit Brandenburgs Forschungsministerin Manja Schüle und vielen ehemaligen und aktiven Forschenden feierte das GFZ das Jubiläum. Damit verbunden war auch der Startschuss für die Sanierungsarbeiten am Helmertturm. Auf dessen Dach befand sich die ursprüngliche Messstation bis 1993.

Manja Schüle gratulierte: „Doppelter Grund zum Feiern und zur Freude am GeoForschungsZentrum Potsdam: Seit 50 Jahren sorgt die Satelliten-Laserradar-Station dafür, dass erdsystemische Grundlagenforschung unter anderem im Bereich der Plattentektonik oder Meeresspiegelschwankungen mit der notwendigen Genauigkeit betrieben werden kann. Und heute startet die Sanierung des mehr als 130 Jahre alten Helmertturms, auf dem die Station sich einst befand – von uns sehr gerne mit rund 533.000 Euro unterstützt. Gestern, heute und morgen: Ich bin froh und stolz, dass das GFZ die Tradition der deutschen Erdsystem- und Nachhaltigkeitsforschung auf Brandenburgs klügstem Berg glanzvoll fortsetzt!“

Der ehemalige Leiter der SLR-Station, Ludwig Grunwaldt, zeichnete die Geschichte des Satelliten-Laser-Rangings auf dem Telegrafenberg nach. Von ursprünglichen Meter-Genauigkeiten ist man jetzt bei einer Messgenauigkeit von unter einem Zentimeter für Satellitenbahnen angekommen, die sich in Hunderten bis Tausenden Kilometer Entfernung befinden. Entscheidend waren dafür immer wieder auch technische Innovationen und Präzisionsinstrumente, die oft in Eigenregie realisiert werden mussten.

Susanne Buiter, wissenschaftliche Vorständin des GFZ, sagte in ihrer Begrüßung: „Zur exakten Vermessung des Erdkörpers gehörten seit den Anfängen der Geodäsie absolute Präzisionsinstrumente: Pendel, die die Erdschwere maßen, Teleskope und Peilgeräte. Berlin und Brandenburg waren berühmt für den wissenschaftlichen Gerätebau. Auch das ist eine Tradition, die wir hier am GFZ mit unserer Zentralwerkstatt fortführen.“ Diese hat eine ganze Reihe von Laser-Reflektoren gebaut, die nach wie vor im Orbit sind.

Susanne Buiter schlug den Bogen von den Anfängen der Wissenschaft der Vermessung der Erde – also der Geodäsie – auf dem Telegrafenberg bis in die nahe Zukunft. Die mittlerweile dritte Generation der SLR-Stationen auf dem Telegrafenberg muss erneuert werden. Die dafür erforderlichen Mittel kommen zu einem großen Teil über das Brandenburger Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur aus dem europäischen Regionalförderfonds EFRE. Susanne Buiter dankte der Ministerin für den verlässlichen Rückhalt aus dem MWFK und kündigte an: „Wir sind gerade dabei zu prüfen, ob wir die neue SLR-Station nicht wieder auf dem Helmertturm installieren können. Das würde dem Helmertturm seine ursprüngliche wissenschaftliche Funktion zurückgeben.“

Wie so eine vierte Generation des Satelliten-Laser-Rangings aussehen könnte und welche Herausforderungen auf die Forschenden warten, stellte André Kloth vor. Er ist Geschäftsführer der Firma DiGOS, die sich auf die Entwicklung und den Bau von SLR-Stationen spezialisiert hat. DiGOS ist zugleich die erfolgreichste Ausgründung aus dem GFZ. André Kloth wies darauf hin, dass zur Messgenauigkeit auch noch Schnelligkeit und Automatisierung kommen müssten, da immer mehr Satelliten unterwegs seien. Künftige Stationen müssten also sehr kurz hintereinander unterschiedliche Ziele anpeilen können. Hinzu kämen neuartige Anwendungen wie die Beobachtung von Weltraumschrott und Laser-Kommunikation mit Satelliten. Auf dem Dach des sanierten Helmertturmes könnte ab nächstem Jahr der Bau einer weltweit einzigartigen SLR-Station beginnen.

Mehr Informationen zur Satellite Laser Ranging-Station (SLR-Station)
https://www.gfz.de/sektion/globales-geomonitoring-und-schwerefeld/infrastruktur/die-satelliten-laser-radarstation-potsdam

Mehr Informationen zum Helmertturm
https://www.gfz.de/presse/meldungen/detailansicht/helmert-turm

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• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren

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Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF 26. März 2024.

26. März 2024 – Unter Leitung des Fraunhofer IOF entwickelte das Projekt CubEniK eine ultrakompakte Nutzlast für einen Satelliten von der Größe eines Schuhkartons, einen sogenannten »CubeSat«. Ziel des Mini-Satelliten ist es, einen sicheren Quantenschlüssel über eine Entfernung von 300 Kilometern zwischen zwei Bodenstationen in Jena und München zu übertragen.

Wenn Alice und Bob miteinander sprechen, dann hört niemand zu. Kein Lauschen, kein Abhören. Wie das geht? Alice und Bob sind Sende- und Empfangseinheiten. Sie nutzen die sogenannte Quantenschlüsselverteilung (QKD) für absolute Vertraulichkeit. Dabei werden verschränkte Photonen zwischen ihnen verschickt, um einen sicheren (Quanten-)Schlüssel für die Datenverschlüsselung zu erzeugen. Die Übertragung solcher verschränkten Photonenpaare am Boden ist auf verschiedenen Wegen möglich, zum Beispiel über Glasfasernetze. Allerdings ist die maximale Reichweite dieser Netze üblicherweise auf 200 Kilometer beschränkt, denn Quantenschlüssel können innerhalb einer Faser nicht ohne weiteres verstärkt werden. Entsprechend groß ist der Bedarf nach Lösungsansätzen, um auch größere Entfernungen – tendenziell sogar globale Netze – abzudecken. Die Idee: Der Einsatz von Satelliten im All. Doch konventionelle Satelliten sind teuer, groß und damit ressourcenintensiv.

Entwicklung einer ultrakompakten Nutzlast für einen »CubeSat«
Diesem Problem hat sich das Team des Projektes CubEniK angenommen. Unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena hat das Forschungskonsortium eine ultrakompakte Nutzlast für einen Mikro-Satelliten, auch CubeSat genannt, entwickelt. »Unser CubEniK-System kann in einem 16U CubeSat untergebracht werden«, berichtet Erik Beckert, Leiter der Abteilung opto-mechatronische Komponenten und Systeme am Jenaer Institut. Das heißt konkret: »Mit einer Abmessung von 20 x 20 x 40 Zentimetern des Satelliten, ist das am Fraunhofer IOF designte System das bisher kleinste seiner Art.«

Genau diese kompakte Bauweise ist es, die einen entscheidenden Vorteil für die Quantenkommunikation im Weltraum bietet, denn: Bei der Beförderung von Technologie und Mensch ins All zählt jedes Gramm Gewicht – desto kleiner und leichter, umso besser. Das hat den Einsatz von CubeSats beliebt gemacht. CubeSats sind Satelliten aus der Kategorie der Nano- oder Mikrosatelliten. Aufgrund ihrer minimalen Stellfläche werden sie häufig als Sekundärlast auf größeren Startmissionen mitgeführt. Gegenüber dem Start eines zusätzlichen Satelliten, lassen sich Technologien auf diese Weise effizienter und kostengünstiger in den Weltraum befördern. Vor diesem Hintergrund haben die CubEniK-Forschenden es sich zum Ziel gesetzt, die fertige Gesamteinheit zur QKD in kleinstmöglicher Form zu verpacken, sodass sie als Teil einen solchen CubeSats möglichst sparsam in den Weltraum gelangen kann.

Ziel des CubEniK-Systems ist es, während eines einzelnen Satellitenüberflugs in einer niedrigen Erdumlaufbahn einen sicheren Quantenschlüssel mit einer Länge von 256 Bit an zwei, 300 Kilometer voneinander entfernte Bodenstationen in Jena und Oberpfaffenhofen bei München zu verschicken. Die so gesendete Schlüssellänge könnte zukünftig als Hauptschlüssel in Hochsicherheitsmodulen verwendet werden und somit die Datensouveränität in sensiblen Bereichen wie der Finanzindustrie oder in Regierungsbehörden sichern.

Komponenten und Funktionsweise des CubEniK-Systems
Neben dem Fraunhofer IOF gehören dem CubEniK-Forschungskonsortium auch zwei Fraunhofer-Ausgründungen – die Quantum Optics Jena GmbH und SPACEOPTIX GmbH – sowie das Zentrum für Telematik aus Würzburg und die DIGOS GmbH aus Potsdam an. Die Forschenden des Fraunhofer IOF haben das optomechanische Design der Nutzlast entwickelt. Neben zwei Teleskopen, die auf einer Standardtechnologie der SPACEOPTIX basieren, besteht das CubEniK-System außerdem aus einer Feinausrichtung (engl.: fine pointing assembly, FPA), einem Faserkoppler und einer Strahlnachführung (engl.: coarse pointing assembly, CPA), die in einem zusätzlich entworfenen Raum in der Teleskopumhüllung untergebracht sind. »Die FPA und CPA dienen dazu, den ausgesandten Strahl auf die Bodenstationen auszurichten und diese Verbindung zu stabilisieren«, erklärt Fraunhofer-Forscher Daniel Heinig, der das Projekt am Institut in der Abteilung Zukunftstechnologien begleitet. »Das Ausrichten dieses Strahls geschieht mithilfe eines piezogesteuerten Tip-Tilt-Spiegels für die präzise Steuerung und durch zwei drehbare Keilprismen, die in der Grobjustierungseinheit verbaut sind und den Strahl um bis zu 11 Grad neigen.« Somit kann sich der Satellit, in dem die Einheit verbaut wird, besonders genau auf die Bodenstationen ausrichten.

Zusätzlich zu den Teleskopen und den Justierungseinheiten nutzt CubEniK eine handtellergroße und raumflugtaugliche Photonenquelle, die ebenfalls am Fraunhofer-Institut in Jena entwickelt wird. Diese muss pro Sekunde viele Millionen verschränkte Photonenpaare erzeugen, um während des Satellitenüberflugs eine sichere Kommunikation zu ermöglichen und den hochsicheren Schlüssel an die Bodenstationen durch die abschwächende Atmosphäre zu übertragen.

Über das Fraunhofer IOF
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena betreibt anwendungsorientierte Forschung auf dem Gebiet der Photonik und entwickelt innovative optische Systeme zur Kontrolle von Licht – von der Erzeugung und Manipulation bis hin zu dessen Anwendung. Das Leistungsangebot des Instituts umfasst die gesamte photonische Prozesskette vom opto-mechanischen und opto-elektronischen Systemdesign bis zur Herstellung von kundenspezifischen Lösungen und Prototypen. Am Fraunhofer IOF erarbeiten knapp 500 Mitarbeitende das jährliche Forschungsvolumen von 40 Millionen Euro.

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• Quantenkommunikation im Weltraum?

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Quelle: GFZ 20. Dezember 2022.

20. Dezember 2022 – Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert die Forschungsgruppe „Uhrenmetrologie: Die ZEIT als neue Variable in der Geodäsie“ (Sprecher: Prof. Ulrich Schreiber, TU München) mit insgesamt zehn Projekten, davon vier mit Beteiligung von GFZ-Department 1 „Geodäsie“, Sektionen 1.1., 1.2. und 1.3. Die Laufzeit beträgt vier Jahre mit der Option auf eine Verlängerung um weitere vier Jahre.

Das übergeordnete Ziel dieser Forschungsgruppe ist die Bestimmung hochgenauer und langzeitstabiler geodätischer Referenzrahmen. Globale Referenzrahmen sind die messtechnische Grundlage für die Überwachung des Erdsystems und andere Anwendungen, z. B. die Quantifizierung von Veränderungsprozessen im Erdsystem sowie die Positionierung und Navigation auf der Erde und im Weltraum. Das Thema ist von hoher gesellschaftlicher Relevanz, weshalb am 26. Februar 2015 auch die Vereinten Nationen die UN-Resolution „Global Geodetic Reference Frame for Sustainable Development“ (GGRF, www.unggrf.org) verabschiedet haben. Die Resolution machte nochmals deutlich, wie wichtig genaue und langzeitstabile geodätische Bezugsrahmen sind.

Globale geodätische Bezugsrahmen werden durch eine Kombination von Messungen der vier wichtigsten geodätischen Weltraumverfahren bestimmt, die alle auf Zeitmessungen basieren. Die Kombination erfolgt in der Regel durch lokale Vermessungen, so genannte Local Ties, an weltweit verteilten Stationen, die verschiedene Techniken beobachten. Systematische Fehler begrenzen jedoch die Genauigkeit der kombinierten Lösung, des geodätischen Bezugsrahmens. Im Rahmen der Forschungsgruppe wird die „zeitliche Kohärenz“ zwischen den raumgeodätischen Techniken als neuartige Verbindung, die so genannte Uhrenverbindung, eingeführt.

Schleifenschlussmessungen („closure measurements“) − unter Verwendung einer gemeinsamen Uhr und eines gemeinsamen Bezugspunkts für die geodätischen Weltraumverfahren − werden zunächst am Geodätischen Observatorium Wettzell, Deutschland, durchgeführt. Es ist geplant, dass Wettzell mittels eines Satellitenlinks (ACES-Mission / ACES: Atomic Clock Ensemble in Space) über Zeittransfer mit der Satellite-Laser-Ranging-Station in Potsdam verbunden wird. Die Satellite-Laser-Ranging-Station am Deutschen GeoForschungsZentrum in Potsdam soll wiederum über Glaserfaser mit dem hochpräzisen und stabilen Zeitsystem der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt verbunden werden. Damit wird eine quasi-fehlerfreie Kombination der geodätischen Weltraumverfahren und ein deutlich verbesserter geodätischer Referenzrahmen möglich, der die Grundlage für die genaue Beobachtung unseres Planeten Erde bildet.

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• physikalische Grundlagenforschung

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