Einstein auf der Internationalen Raumstation

So soll die ISS nach der Montage aussehen
So soll die ISS nach der Montage aussehen
17 Juni 2002

Im Rahmen eines ESA-Experimentes mit ultrapräzisen Atomuhren wollen Wissenschaftler auf der Internationalen Raumstation ISS die Einsteinsche Relativitätstheorie überprüfen. Das aus zwei Atomuhren bestehende Experiment ACES, Atomic Clock Ensemble in Space, soll im Jahre 2004 auf der ISS beginnen.

Weshalb ist das ACES-Experiment der Europäischen Raumfahrtagentur ESA sowohl spannend als auch aufsehenerregend zugleich? Eine bislang unerreichte Genauigkeit in der Zeitmessung erlaubt es heutzutage, auch noch allerkleinste Effekte aufzuspüren, die möglicherweise die spezielle Relativitätstheorie zum Teil widerlegen. Erkenntnisse dieser Art könnten unsere Vorstellung vom Universum völlig auf den Kopf stellen.

Atome geben den Takt an

Die ACES-Versuchsanordnung besteht aus vier Komponenten, die auf eine Nutzlast-Palette montiert werden. Herzstück von ACES sind PHARAO und SHM - zwei Atomuhren. Die Cäsium-Uhr PHARAO (Projet d’horloge atomique par refroidissement d’atomes en orbite) und der Wasserstoff-Maser SHM (Space Hydrogen Maser) senden über eine Laser- und eine Mikrowellenverbindung Zeitdaten zur Erde.
Die beiden Atomuhren funktionieren prinzipiell wie alle Uhren dieser Welt: Sie bestehen aus einem Taktgeber und einem Zählwerk, das die Takte zählt und anzeigt. Doch während bei der guten alten Standuhr ein schwingendes Pendel den Takt angab, sind es bei einer Atomuhr einzelne Atome, die ihren Energiezustand wechseln. Ihre Schwingung dient als Grundlage für die Zeitmessung. Diese schwingenden Atome sind also eine Art natürliche Uhr, die extrem präzise und stabil läuft. Wer beispielsweise erleben will, dass eine der üblichen Cäsium-Atomuhren eine Sekunde vor- oder nachgeht, müsste etwa 33 Millionen Jahre alt werden. Und die speziell für den Einsatz in der Schwerelosigkeit entworfene Cäsium-Uhr PHARAO bietet eine noch weit höhere Präzision.

Lag Einstein falsch?

Das Experiment ACES
Messung der Signallaufzeiten zwischen Erde und ISS

In seiner 1905 vorgestellten speziellen Relativitätstheorie postuliert Einstein, dass für einen Beobachter, der sich in gleichförmiger Bewegung befindet, die physikalischen Gesetze und die Lichtgeschwindigkeit unverändert gelten, und dies unabhängig von Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung. Rutscht jemandem beispielsweise eine Tasse Kaffe aus der Hand, dann fällt sie immer senkrecht zu Boden, egal ob derjenige auf der Straße, in einem fahrenden ICE oder in einem dahinrasenden Düsenflugzeug steht. Und auch zwei Uhren, die diese Person bei sich trägt, müssten immer gleich gehen. Einigen neueren Erklärungsansätzen zufolge könnte es jedoch auch Erscheinungen geben, die nicht den Vorhersagen der Relativitätstheorie entsprechen. Abweichungen dieser Art, so die Theorie, konnten aber bislang wegen zu geringer Messgenauigkeit im Experiment nicht festgestellt werden.

Durch den Vergleich der beiden ultraempfindlichen Atomuhren, die auch in Schwerelosigkeit funktionieren, lassen sich selbst winzigste Laufzeitunterschiede zwischen den Uhren feststellen, die auftreten, während die Raumstation um die Erde kreist. Sollten sich solche Unterschiede tatsächlich zeigen, so käme das einer Revolution in der Physik gleich: Laut Einsteins Relativitätstheorie sind sie nämlich ausgeschlossen.

Ultra-Präzision mit praktischen Folgen

Daneben eröffnet ACES neue Perspektiven für die anwendungsbezogene Forschung und für praktische Anwendungen. Durch eine nie gekannte Präzision auch bei der Übermittlung von Zeitdaten macht es ACES beispielsweise möglich, die verschiedenen Atomuhren auf der Erde besser miteinander zu vergleichen. Dadurch kann dann die Internationale Atomzeit, eine zentrale Bezugsgröße für die weltweite Zeitbestimmung, mit wesentlich höherer Genauigkeit als bisher festgelegt und verbreitet werden.
Auch Satellitennavigationssysteme wie GPS können von ACES profitieren: Größere Exaktheit und Stabilität bei der Zeitmessung und –übermittlung werden Ortungsgenauigkeiten im Millimeter-Bereich erlauben. Das macht technische Anwendungen vorstellbar, die heute noch Zukunftsmusik sind, beispielsweise die völlige Automatisierung von Starts und Landungen in der Luftfahrt.

Die Prototypen der ACES-Komponenten sollen im Herbst 2002 fertig sein. Die flugfähige ACES-Einheit wird im Sommer 2004 an die NASA ausgeliefert und Ende 2004 an Bord eines Shuttle zur Internationalen Raumstation transportiert. Schließlich wird die ACES-Palette bei einem Weltraumausstieg mit Hilfe des ISS-Roboterarms an der Außenwand des europäischen Forschungs-Moduls Columbus verankert. Dann kann das Experiment beginnen.

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