Gravitation mit Drohnen messen

Mit Atomgravimetern lassen sich Gravitationsfelder hochpräzise messen. Ihr Messprinzip basiert auf der Atominterferometrie, bei der ultrakalte Rubidiumatome als Quantensensoren dienen. Das Alkalimetall Rubidium eignet sich besonders gut für das Verfahren, da es einen gut kontrollierbaren Laserübergang hat, bei Raumtemperatur bereits gasförmig ist und sich relativ einfach kühlen lässt. Bei dem Verfahren werden die Rubidiumatome so stark abgekühlt, dass sie sich wie Wellen verhalten. Anschließend teilen kurze Laserpulse diese „Atomwellen“, schicken sie in zwei unterschiedliche Richtungen und führen sie dann wieder zusammen – der gemessene Unterschied zeigt die Stärke der Schwerkraft.  Bereits kleinste Veränderungen des Schwerefeldes liefern so Informationen über unterirdische Strukturen und ermöglichen Anwendungen in der Rohstofferkundung, der Wasserwirtschaft oder geophysikalischen Forschung.

Kompakte Quantensensorik für mobile Schwerkraftmessungen

Bislang sind entsprechende Systeme jedoch groß, schwer und überwiegend laborgebunden. Kommerzielle Atomgravimeter können weit mehr als 100 Kilogramm wiegen und sind so für mobile Anwendungen eher ungeeignet. Mit QuoGkA (»Quantensensorik durch optische Integration für Gravimetrie mit kalten Atomen«) wollen Forschende des Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM und Projektpartner Nomad Atomics den logistischen Aufwand massiv verringern, soweit, dass sich die Messysteme perspektivisch sogar auf Drohnen einsetzen lassen. Dafür müssen die optischen Systeme miniaturisiert und auf einer gemeinsamen Plattform integriert werden – der zentrale Beitrag des Fraunhofer IZM.

Hochintegrierte Glasbank als Schlüsseltechnologie

Im Mittelpunkt der Arbeiten steht dabei die Entwicklung einer elektro-optischen Leiterplatte, bei der optische und elektrische Funktionen auf einer gemeinsamen Glasplattform vereint werden. Die bislang einzeln aufgebauten optischen Komponenten werden so auf einer Fläche von rund 50 cm² vereint.

Herzstück sind im Glas integrierte Lichtwellenleiter, die das Laserlicht präzise durch das System führen. Durch das Know-How am Fraunhofer IZM geschieht letzteres mithilfe eines speziellen Ionenaustauschverfahrens – einer Technologie, die weltweit nur an wenigen Forschungsinstituten und Unternehmen beherrscht wird. Bislang wurden entsprechende Wellenleiter insbesondere bei einer Wellenlänge von 1.550 Nanometern vor allem für Telekommunikationsanwendungen genutzt. Fraunhofer IZM-Forschende realisieren nun erstmalig Single-Mode-Wellenleiter mit einer Zielwellenlänge von 780 Nanometern in einem industriellen Prozess mit kommerziellem Dünnglas. Diese wird benötigt, um die Rubidiumatome in einer magneto-optischen Falle auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abzukühlen, sodass sie nutzbar für die Atominterferometrie sind.

Als Schlüsselkomponenten verfügbar sind somit sowohl ein Multimode-Interferenzkoppler als auch ein Evaneszenz-Koppler zur gezielten Aufteilung der Lasersignale sowie ein 1-zu-n Schalter auf Basis eines vom Startup Hyphox entwickelten elektro-optischen Polymers. Dieser ermöglicht die elektrische Verteilung des Lasersignals auf einen von vier Kanälen. Des Weiteren entwickeln Projektleiter Jackson Kocis und sein Team eine Rubidium-Gaszelle aus Glas, die mittels eines Laserschweißverfahrens gefertigt wird und neben der hermetisch abgeschlossenen Zelle bereits optische Komponenten zur Strahlformung integriert.

Die Fraunhofer IZM-Wissenschaftler schaffen durch die Kombination dieser Technologien eine hochintegrierte Plattform für die Quantensensorik. Dank ihrer Expertise ist aus einem teuren und schweren Laborgerät ein hochintegriertes und leichtes System geworden, das sich industriell fertigen und in seiner Feldumgebung einsetzen lässt. Damit leisten sie einen wichtigen Beitrag, hochpräzise Schwerkraftmessungen in Zukunft flexibler und vor allem in bislang schwer zugänglichen Regionen verfügbar zu machen.

Das Projekt QuoGkA läuft vom 01.08.2024 – 31.07.2027 und wird im Rahmen des Förderprogramms ProFit (IBB) (Förderkennzeichen 10206866) durchgeführt. Neben dem Fraunhofer IZM ist das Unternehmen Nomad Atomics beteiligt.

(Text : Lotta Jahnke)