Quantensensor durchleuchtet den Untergrund

Atom-Messgerät wird mobil: Ein neuartiger Quantensensor kann selbst kleinräumige Anomalien des Schwerefelds messen und so verborgene Strukturen im Untergrund aufspüren. Zum ersten Mal ist ein solches Atom-Gradiometer zudem robust und mobil genug, um außerhalb des Labors praktisch eingesetzt zu werden. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, beispielsweise Tunnel, Schächte und oder größere Objekte auch im Untergrund dicht bebauter Gebieten zu kartieren, wie das Team im Fachmagazin „Nature“ erklärt.

Die Gravitation ist eine Grundkraft, die jedes Objekt mit seiner Masse auf die Umgebung ausübt – vom Schwarzen Loch über Planeten bis hinunter zu kleinsten Mikroobjekten. Diese Anziehungskraft zwischen Massen ist messbar und kann dazu genutzt werden, solche Objekte aufzuspüren und zu kartieren. In der Erderkundung mittels Satelliten nutzt man beispielsweise kleine Abweichungen im Erdschwerefeld, um die Masse von Gletschern, die Verteilung der irdischen Wassermassen oder die Struktur der Erdkruste zu kartieren.

Die von Satelliten eingesetzten Gravimeter nutzen Interferometrie für die Messung der Schwerkraft-Abweichungen: Zwischen den Satelliten ausgetauschte Laserstrahlen zeigen über ihre Phasenverschiebung an, ob und wie stark das irdische Schwerefeld die Flughöhe der Satelliten beeinflusst. Deutlich einfacher ist die Gravimetrie mithilfe von Beschleunigungssensoren. Allerdings müssen diese Sensoren viele Messungen durchführen, um Störeffekte durch Vibrationen herausrechnen zu können – das macht die Messungen sehr aufwendig.

Kalte Atomwolken als Messhelfer

Eine Alternative bietet nun ein neues Hightech-Gravimeter, das Ben Stray von der University of Birmingham und sein Team entwickelt haben. Ihr Gravitations-Gradiometer nutzt die Quantentechnologie, um selbst winzige Schwerkraftschwankungen ohne lange Messzeiten anzuzeigen. Kern des neuen Instruments sind zwei Wolken aus ultrakalten Rubidiumatomen in einer mit Lasern und Spiegeln ausgestatteten Vakuumröhre.

Zur Messung werden die zuvor fixierten Atomwolken fallengelassen und die Messapparatur ermitteltet mittels Interferometrie, wie die Schwerkraft die Fallgeschwindigkeit und den Quantenzustand der Atome verändert. Der Clou dabei: Weil die beien Atomwolken in der Röhre einen Meter Höhenunterschied aufweisen, misst das Gerät nicht die absolute Schwerkraft, sondern die Unterschiede in den Gravitationswirkungen auf die beiden Wolken.

Erster Einsatz außerhalb eines Labors

Prinzipiell sind solche Quanten-Gradiometer nicht neu – in Laboren werden sie schon länger für die Messungen kleinster Schwerkraftunterschiede eingesetzt. Bisher jedoch waren sie zu kompliziert und störanfällig, um sie auch außerhalb des Labors praktisch einsetzen zu können. Stray und sein Team haben ihr Quanten-Gradiometer jedoch so optimiert, dass es transportabel und überall einsetzbar wird. „Unser Design unterdrückt die Effekte von Laserrauschen und Mikroseismik, thermischen und magnetischen Feldschwankungen sowie der Neigung des Geräts“, erklären sie.

Damit werden Quanten-Gradiometer erstmals auch außerhalb des Labors einsetzbar. „Für die praktische Anwendung ist es zudem nötig, die Messdaten so auszuwerten, dass sich eine für den Nutzer brauchbare Information ergibt“, erklären die Wissenschaftler. Dafür ergänzten sie ihr Gerät mit einer Software, die die Rohdaten automatisch mit möglichen Störeffekten der Umgebung und den geophysikalischen Parametern des Untergrunds abgleicht. „Das ermöglicht dann quantitative Angaben über Tiefe und räumliche Ausdehnung der Anomalien“, so Stray und seine Kollegen.

Praxistest mitten in der Stadt

In einem ersten Praxistest haben die Forschenden ihren Quantensensor auf einer Straße zwischen zwei mehrstöckigen Gebäuden ausprobiert. „Andere nahe Gebäude und das unebene Terrain rund um den Teststandort sorgten für weitere Störsignale, die die eigentlichen Zielobjekte maskieren können“, erklären sie. Ziel des Tests war es zu ermitteln, wie präzise das Gradiometer einen 8,50 Meter unter der Oberfläche verlaufenden Tunnel von zwei mal zwei Meter Durchmesser kartierten konnte.

Das Ergebnis: Das Quanten-Gradiometer konnte die vom Tunnel und seinen Wänden erzeugten Gravitationsabweichungen mit einer Präzision von bis zu 1,4 Nano-g messen. „Das übertrifft die Leistung kommerzieller Vermessungs-Gravimeter um den Faktor 1,5 bis vier“, berichten die Wissenschaftler. Die Lage der Tunnelwände konnte das Gerät bis auf 0,19 Meter genau bestimmen. „Dies ist die erste Demonstration einer Submeter-Kartierung mit einem Quanten-Gravitationssensor“, so das Team.

Ein wichtiger Vorteil ist auch das Messtempo des Geräts: Innerhalb von weniger als zwei Minuten kann man das Gerät versetzen und erneut messen. Untergrundstrukturen könnten demnach schon innerhalb 15 Minuten mit vertretbarer Signalqualität vermessen werden, wie die Forschenden erklären.

Neue Möglichkeiten für die Untergrund-Vermessung

Nach Ansicht der Wissenschaftler eröffnet ihr Quantensensor nun neue Möglichkeiten, den Untergrund vor allem in dicht bebauten und daher stark mit Störsignalen durchsetzten Gebieten zu vermessen. „Dank dieses Durchbruchs sind wir bei der Erkundung, beim Bau und bei Reparaturen im Untergrund nicht mehr nur von schlechten Karten und Glück abhängig“, sagt Strays Kollege Kai Bongs. „Denn momentan wissen wir mehr über den Untergrund der Antarktis als über das, was direkt unter unseren Straßen liegt.“

Ähnlich sieht es auch Nicola Pioli von der Universität Florenz: „Der Sensor dieser Forschergruppe ist ein wichtiger Schritt dazu, Atom-Gradiometer in Anwendungen des realen Lebens praktisch nutzbar zu machen“, schreibt er in einem begleitenden Kommentar. (Nature, 20122; doi: 10.1038/s41586-021-04315-3)

Quelle: University of Birmingham