Genauer als die Sonne! Welche Uhr kann in 35 Millionen Jahren nur um eine Sekunde falsch gehen?

Die genaue Zeitmessung ist viel wichtiger als wir denken.

Wenn der Zeitfehler an einem Tag eine Tausendstelsekunde überschreitet, geraten die Kommunikationsnetze, das Transportwesen und die Finanzsysteme ins Chaos. Wenn der Zeitfehler pro Tag eine Hunderttausendstelsekunde überschreitet, kann das Navigations- und Positionierungssystem keine genaue Positionierung erreichen.

Wie kann also ein für die Nation wichtiges Gerät wie das Satellitennavigationssystem Beidou die Zeit genau messen?

Die Antwort ist die Atomuhr.

Kürzlich leitete Mei Ganghua, ein Forscher am Institut für Präzisionsmesswissenschaft und Technologieinnovation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, ein Team, das eine neue Rubidium-Atomuhr entwickelte. Die gemessene Frequenzstabilität auf der Sekundenebene beträgt 9E-14 (1E-14 ist ein Billionstel) und die Frequenzstabilität auf der Hundertsekundenebene beträgt 9E-15. Dies ist derzeit der weltweit höchste Indikator für kurzfristige Stabilität von Rubidium-Atomuhren. Die entsprechenden Ergebnisse wurden kürzlich in der internationalen Fachzeitschrift IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement veröffentlicht.

Artikelinhalt

Die Geheimnisse der Atomuhr enthüllen

Von der Antike bis zur Gegenwart wurden Zeitmessinstrumente mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie ständig aktualisiert.

Von Sonnenuhren und Sanduhren bis hin zu mechanischen Uhren und Quarzuhren stellt die Genauigkeit der Zeitmessung den höchsten Stand der Technik in jeder Epoche dar. Bereits in den 1930er Jahren schlug der amerikanische Physiker Isidor Rabi das Konzept der Atomuhr vor. Kurz nachdem dieses Konzept vorgeschlagen wurde, wurde in den Vereinigten Staaten die erste Atomuhr der Welt auf den Markt gebracht. Anschließend erfanden die Vereinigten Staaten, die Sowjetunion, das Vereinigte Königreich und andere Länder genauere Atomuhren.

Die erste Atomuhr der Welt

Also, was genau ist eine Atomuhr?

Tatsächlich ist die Atomuhr eine Uhr, die unter Verwendung von Quanteneigenschaften erfunden wurde. Es hat weder Zeiger noch Zahnräder. Manche sehen aus wie ein großes Fass, andere wie eine Kiste. Seine Aufgabe besteht in der genauen Messung der Zeiteinheit „Sekunde“, eine direkte Anzeige der Stunde ist jedoch nicht möglich. Im Jahr 1967 wurden auf der 13. Internationalen Konferenz für Maß und Gewicht 9.192.631.770 Zyklen atomarer Übergänge bei Cäsium als 1 Sekunde definiert. Seitdem sind Atomuhren das weltweit am häufigsten verwendete Präzisionsinstrument zur Zeitmessung.

Warum wird die Atomuhr als „Herz“ eines Navigationssatelliten bezeichnet?

Tatsächlich gilt für den Betrieb von Navigationssatelliten: Je besser die Zeit zwischen Himmel und Erde synchronisiert ist, desto kleiner ist der Fehler und desto höher ist die Positionierungsgenauigkeit. Wenn der Zeitfehler eine volle Sekunde erreicht, beträgt der Entfernungsmessfehler 300.000 Kilometer. Der Ausfall einer Atomuhr kann für Navigationssatelliten eine Katastrophe sein.

Im Jahr 2016 fielen nacheinander die drei Zeitmessuhren im ersten Navigationssatelliten Indiens aus, sodass das indische Navigationssystem nicht mehr normal funktionieren konnte. Auch bei Europas Satellitennavigationssystem Galileo kam es bei einem seiner zuvor im Orbit befindlichen Satelliten zu einem Uhrenausfall, sodass das System seinen Benutzern bis zu eine Woche lang keine Navigationsdienste bereitstellen konnte. Daraus lässt sich schließen, dass Atomuhren für den Betrieb von Navigationssatelliten von entscheidender Bedeutung sind.

Hochpräzise Rubidiumuhr für den Navigationssatelliten Beidou

In den 1990er Jahren wurde das Projekt des Satellitennavigationssystems Beidou in meinem Land gestartet. Die technische Kernschwierigkeit dieses Projekts liegt in der Forschung und Entwicklung von Atomuhren. Insbesondere die Forschung und Entwicklung satellitengestützter Rubidium-Atomuhren stellt für chinesische Wissenschaftler eine große Herausforderung dar.

Schematische Darstellung des Satellitennavigationssystems Beidou

Die Rubidium-Atomuhr hat die Vorteile kleiner Größe, geringen Gewichts, niedrigen Stromverbrauchs, hoher Zuverlässigkeit, langer Lebensdauer und niedriger Herstellungskosten. Sie ist derzeit die am weitesten verbreitete Atomuhr und wird in der Satellitennavigation, Kommunikation, Elektrizität, im Finanzwesen und in anderen Bereichen eingesetzt. Laut Qu Yongsheng, dem für Rubidiumuhrprodukte zuständigen Mitarbeiter der Xi'an-Zweigstelle der Fifth Academy of China Aerospace Science and Technology Corporation, steht die Stabilität der Rubidiumuhr in direktem Zusammenhang mit der Genauigkeit der Positionierungs-, Geschwindigkeitsmess- und Zeitfunktionen des Navigationssatelliten. Die Qualität und Zuverlässigkeit der Rubidiumuhr sind unmittelbar entscheidend für Erfolg oder Misserfolg des Navigationssatelliten und sie ist ein äußerst wichtiges Nutzlastprodukt des Beidou-Satelliten.

Zu dieser Zeit waren die Vereinigten Staaten und die Schweiz die einzigen Länder, die die Technologie satellitengestützter Rubidium-Atomuhren beherrschten. Vor diesem Hintergrund begann Mei Ganghua 1997 mit seinem Team mit der Forschung an Rubidium-Atomuhren und entwickelte nacheinander drei Generationen satellitengestützter Rubidium-Atomuhren mit völlig unabhängigen geistigen Eigentumsrechten, die serienmäßig auf Beidou-Navigationssatelliten installiert wurden. Erwähnenswert ist, dass die von ihm und seinem Team im Jahr 2006 erfolgreich entwickelte satellitengestützte Rubidium-Atomuhr der dritten Generation eine Stabilität von 7E-13 Sekunden aufwies und damit zu dieser Zeit einen internationalen Rekord für die Frequenzstabilität von Rubidium-Atomuhren aufstellte.

die erste satellitengestützte Rubidium-Atomuhr meines Landes

Im Jahr 2020 wurde das globale Satellitennavigationssystem Beidou-3 der neuen Generation meines Landes offiziell eingeführt. Der Satellit BeiDou-3 verwendet die unabhängig steuerbaren neuen Rubidium-Atomuhren und Wasserstoff-Atomuhren meines Landes mit höherer Stabilität und höherer Genauigkeit, wodurch eine deutliche Verbesserung der Zeit- und Frequenzreferenzleistung des Satelliten erreicht wird.

Heute hat die neue Rubidium-Atomuhr, die von Mei Ganghuas Team entwickelt wurde, erneut den internationalen Rekord für ihren Frequenzstabilitätsindex in Sekunden gebrochen. Er sagte, dieser technologische Durchbruch werde dazu beitragen, hochwertige Mikrowellenoszillatortechnologie zu entwickeln und eine neue Generation satellitengestützter Atomuhren für das Beidou-System zu erforschen und zu entwickeln.

Es ist absehbar, dass wir mit der Unterstützung immer genauerer Atomuhren eine präzisere Positionsbestimmung erreichen können und das Satellitennavigationssystem Beidou stabiler arbeiten wird.