BECCAL – Technologieentwicklung für Quantensensoren im Weltraum
Quantenexperiment
BECCAL – Technologieentwicklung für Quantensensoren im Weltraum
Experiment BECCAL (Bose-Einstein Condensate and Cold Atom Laboratory)
BECCAL wird die Durchführung von Experimenten mit ultrakalten Atomen und Bose-Einstein-Kondensaten an Bord der Internationalen Raumstation ISS ermöglichen. Es schafft so die Voraussetzungen für Grundlagenforschung und die Entwicklung künftiger Quantensensoren auf Basis der Materiewellen-Interferometrie.
Integration der Vakuumkammer des BECCAL-Experiments
Die Vakuumkammer ist das Herzstück des BECCAL-Experiments und ermöglicht die Kühlung und Manipulation von Atomen mit Hilfe von Laserlicht, das durch speziell entworfene optische Sichtfenster in die Kammer eintritt. Gemeinsam mit der NASA untersucht das DLR damit ultrakalte Quantengase und kondensierte Atome und schafft so die Voraussetzung für Grundlagenforschung und die Entwicklung künftiger Quantensensoren im Weltraum.
BECCAL ist ein Gemeinschaftsprojekt zwischen DLR und NASA und soll auf der Internationalen Raumstation ISS untergebracht werden. Das Projektlogo zeigt vier Absorptionsbilder von Bose-Einstein-Kondensaten, die im Rahmen eines Vorgängerprojekts im Fallturm in Bremen in Schwerelosigkeit aufgenommen wurden.
Im Projekt BECCAL (Bose Einstein Condensate and Cold Atom Laboratory) untersucht das DLR sowohl auf der Erde als auch in der Schwerelosigkeit auf der Internationalen Raumstation ISS ultrakalte Quantengase – wie zum Beispiel Bose-Einstein-Kondensate (BEC).
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler schaffen damit die Voraussetzungen für die Grundlagenforschung und die Entwicklung künftiger Quantensensoren. Im Wesentlichen geht es für die Forschenden darum, ein Bose-Einstein-Kondensat aus einer Atomwolke zu erzeugen und dieses in Schwerelosigkeit zu beobachten. Dadurch können äußere Störkräfte mit unglaublicher Präzision gemessen werden. Die ISS bietet hierfür eine einzigartige Umgebung mit permanenter Schwerelosigkeit. Dies ermöglicht unter anderem verlängerte Freifall- und Beobachtungszeiten, die Nutzung weiterer Fallenkonfigurationen zum Fangen und Kühlen von Atomen sowie eine bessere Wiederholbarkeit. Diese Faktoren sind wichtig um konsistente Daten zu sammeln und zuverlässige statistische Analysen durchzuführen.
Kalte Atome für Sensoren und Kommunikation
Kalte Atome befinden sich nahe am absoluten Nullpunkt von rund Minus 273 Grad Celsius und eröffnen durch ihre Eigenschaften neue Einblicke in die Quantenphysik. Entwickelt wurde BECCAL gemeinsam mit dem DLR und der amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde NASA.
Ein prominentes Beispiel sind die Untersuchungen des freien Falls, denen zufolge alle Objekte im Vakuum gleich schnell fallen. Das Prinzip wurde während der Apollo-15-Mission zum Mond vom amerikanischen Astronauten David Scott demonstriert, der einen Hammer und eine Feder fallen ließ. Beide Objekte landeten dabei zur gleichen Zeit auf dem Boden. Mit einem Bose-Einstein-Kondensat kann dieses Prinzip mit höchster Präzision untersucht werden. Dafür werden zwei verschiedene Atomarten (hier Rubidium und Kalium) gekühlt und deren Beschleunigung im Schwerefeld der Erde vermessen. Neben diesem speziellen Experiment soll BECCAL möglichst breite Forschung an und mit kalten Atomen erlauben.
Forschende weltweit können mit Bose-Einstein-Kondensaten in Mikrogravitation experimentieren. Das Ziel ist, diese beispielsweise in Quantensensoren zu nutzen. Die Anwendungen reichen von der Erdbeobachtung über die Satellitennavigation und Quantenkommunikation bis zur Überprüfung fundamentaler Theorien wie der Allgemeinen Relativitätstheorie.
BECCAL basiert auf QUANTUS und MAIUS, einer Serie von DLR-geförderten Projekten für atomoptische Experimente in Schwerelosigkeit im Fallturm in Bremen sowie auf Höhenforschungsraketen und profitiert von den Erfahrungen des Cold Atom Laboratory (CAL), welches am NASA Jet Propulsion Laboratory in Kalifornien (Caltech) entwickelt und im Jahr 2018 auf der ISS installiert wurde.
BECCAL wird an den DLR-Instituten für Quantentechnologien, Satellitengeodäsie und Inertialsensorik sowie Softwaretechnologie realisiert und durch die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR unterstützt. Des Weiteren sind die Humbold Universität zu Berlin, die Johannes-Gutenberg Universität Mainz, das Ferdinand Braun Institut für Hochfrequenztechnik, die Leibniz Universität Hannover, die Universität Bremen, die Universität Ulm und die OHB System AG involviert.
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Projekt BECCAL – Experimentierplattform für kalte Atome und Bose-Einstein-Kondensate im Weltraum
