Schnallt euch an, Nerds: Die NASA baut den ersten Quantenschwerkraftsensor für den Weltraum – ein koffergröße Instrument, das bald alles messen könnte, von unterirdischem Wasser bis zu versteckten Ölreserven, alles durch die Beobachtung, wie sich Wolken von Atomen unter dem Einfluss der Schwerkraft verhalten.
Forschungsteam und Projektbeschreibung
Wissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA entwickeln zusammen mit mehreren Partnern das Projekt, das den Namen Quantum Gravity Gradiometer Pathfinder (QGGPf) trägt. Wie der Name schon andeutet, ist QGGPf ein Schwerkraftgradiometer, das misst, wie die Beschleunigung eines Objekts im Vergleich zu einem anderen nahegelegenen Objekt ist; der Unterschied in der Beschleunigung der Objekte entspricht der Gravitationsstärke, die auf jedes Objekt wirkt. Wenn die Schwerkraft stärker ist, fallen die Objekte – auch bekannt als Testmassen – schneller.
Die variable Schwerkraft der Erde
Die Schwerkraft der Erde ist nicht konstant – sie verändert sich ständig, wenn sich die Masse um den Planeten verschiebt. Geologische Prozesse wie tektonische Aktivitäten, Kalben von Gletschern oder das Entleeren von Aquiferen können die Gravitationskräfte in einem bestimmten Gebiet leicht beeinflussen. In unserem physischen Maßstab sind diese Verschiebungen unmerklich, aber nicht für die überempfindlichen Instrumente der Wissenschaftler.
Diese winzigen Variationen sind nicht nur ein Naturphänomen – sie haben einen echten Nutzen für Navigationssysteme, die Kartierung natürlicher Ressourcen und sogar für die nationale Sicherheit. Mit den richtigen Sensoren können Wissenschaftler die Schwerkraft nutzen, um das zu „sehen“, was unter der Erdoberfläche verborgen ist. Je schärfer die Gravitätskarte, desto besser verstehen wir, was unter der Erde vor sich geht.
„Wir könnten die Masse des Himalayas mit Atomen bestimmen“, sagte Jason Hyon, Chief Technologist für Erdwissenschaften am JPL, in einer NASA-Mitteilung. QGGPf wird speziell Rubidium-Atome verwenden, die auf kurz über dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden und sich eher wie Wellen als wie Teilchen verhalten, um Messungen aus dem Weltraum vorzunehmen.
Die Rolle der Quantenphysik
Hier zeigt sich die Magie der Quantenphysik: QGGPf nutzt zwei Wolken von ultra-kalten Atomen – die Testmassen – und vergleicht, wie schnell sie relativ zueinander fallen. Ein schnellerer Fall weist auf stärkere Gravitation an diesem Ort hin. Der Unterschied in der Beschleunigung zwischen den beiden Wolken zeigt den Wissenschaftlern, wo gravitative Anomalien liegen.
Im Gegensatz zu älteren Schwerkraftgradiometern verwendet QGGPf die Quantenphysik, um Wiederholbarkeit und Präzision sicherzustellen. „Mit Atomen kann ich garantieren, dass jede Messung gleich sein wird“, sagte der Physiker Sheng-wey Chiow. „Wir sind weniger anfällig für Umweltgeräusche.“
QGGPf bringt diese präzisen Messungen in ein kleines Paket nach Maßstab der Raumfahrt: Das Gerät wiegt nur 125 Kilogramm (275 Pfund) und nimmt etwa 0,25 Kubikmeter (0,3 Kubikyards) ein.
Eine vielversprechende Zukunft
Laut der NASA kann erwartet werden, dass Quantenschwerkraftgradiometer bis zu zehnmal empfindlicher sind als klassische Schwerkraftsensoren. Das bedeutet schärfere Daten, weniger blinde Flecken und viel mehr Einblick in das, was unter unseren Füßen geschieht – und eventuell auch auf anderen Planeten in der Zukunft.
QGGPf soll bis Ende des Jahrzehnts gestartet werden, wobei die Hauptmission darin besteht, die Technologie zu erproben – was den „Pathfinder“ in seinem Namen erklärt. „Niemand hat so etwas zuvor im Weltraum getestet“, sagte Ben Stray, Postdoktorand am JPL, in der gleichen Mitteilung. „Wir müssen es im Weltraum testen, um zu wissen, wozu es wirklich fähig ist.“
Wenn QGGPf fliegt und wie erhofft funktioniert, könnten wir nicht nur unseren eigenen Planeten mit beispielloser Detailgenauigkeit kartieren – wir könnten auch die Art und Weise verändern, wie wir in die gasförmigen und felsigen Innereien ferner Welten blicken.
