Bodenschätze mit Atomuhren aufstöbern
Ultrapräzise Atomuhren, die auch transportierbar sind, stehen kurz vor dem Durchbruch. Mit ihrer Hilfe könnten das Erdinnere kartiert und Bodenschätze aufgespürt werden. Davon ist ein internationales Team um Astrophysiker der Universität Zürich überzeugt.
Erz- oder Wasservorkommen im Innern der Erde von ihrer Oberfläche aus aufspüren? Mithilfe ultrapräziser portabler Atomuhren kann dies in den nächsten Jahren möglich werden. Davon ist ein internationales Team um die Astrophysiker Philippe Jetzer und Ruxandra Bondarescu von der Universität Zürich überzeugt. Laut den Wissenschaftlern sind diese Atomuhren nun präzise genug um sie bei geophysikalischen Vermessungen einzusetzen. Und damit können sie neben der direkten Messung des Geoids – der tatsächlichen physikalischen Form der Erde –künftig auch für die Erkundung des Erdinnern eingesetzt werden.
Heute kann das Geoid der Erde – der Fläche, auf der das gleiche Erdanziehungspotential herrscht – nur indirekt erschlossen werden. Als Basis für die Berechnungen dient die Erdanziehung an der Oberfläche der Ozeane. Um das Geoid im Bereich der Kontinente zu berechnen, werden die relativen Abweichungen der Satellitenumlaufbahnen von der Ideallinie herangezogen und unter Berücksichtigung der tatsächlichen Höhe über Meer des überflogenen Orts aufwendig umgerechnet. Allerdings sind die verfahrensabhängigen Unsicherheiten gross. Erschwerend hinzu kommt die geringe geografische Auflösung von zirka 100 Kilometern.
Albert Einsteins Relativitätstheorie
Die Bestimmung des Geoids mit Hilfe von Atomuhren gründet auf Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie und wird seit bald dreissig Jahren theoretisch diskutiert. Die Idee dabei ist, dass Uhren, die sich in unterschiedlichen Distanzen zu einem massiven Körper und dessen Gravitationsfeld befinden, unterschiedlich schnell ticken. Umso näher die Uhr beim Körper ist, umso langsamer läuft sie. Der Unterschied der beiden Uhren ist allerdings so gering, dass es bislang nicht möglich war, die Zeitdifferenz tatsächlich zu messen. „Die ultrapräzisen Atomuhren der neusten Generation können die Zeitdifferenz zweier dreissig Zentimeter übereinander positionierter Uhren effektiv messen“, sagt Bondarescu. „Damit rückt die Vermessung des Geoids der Erde in greifbare Nähe.“
Für die Bestimmung des Geoids wird eine ultrapräzise Atomuhr auf Meereshöhe oder vielmehr auf der exakten Höhe des Geoids platziert. Eine zweite solche Atomuhr wird an einen beliebigen Punkt auf dem Festland gelegt und von dort mit der anderen Uhr über ein Glasfaserkabel synchronisiert. Die zweite Uhr wird langsamer oder schneller laufen – je nachdem, ob sie sich unter oder über dem Geoid befindet. Anhand der exakten Höhe über Meer des Messpunktes und der festgestellten Gangunterschiede können Geophysiker Aussagen über die Beschaffenheit des Untergrundes zu machen. Auf diese Weise kann der Verlauf tektonischer Platten, unterirdischer Wasservorkommen oder Erzlagerstätten kartiert werden.
Zweitausend Meter unter der Erdoberfläche
Kartierungen sind grundsätzlich bis in sehr grosse Tiefen möglich, sofern die die zu messende Struktur im Erdinnern und sich in seiner Dichte im Vergleich zum Umgebungsmaterial sind ausreichend unterscheidet. Laut den Wissenschaftlern können ultrapräzise Atomuhren eine Struktur von 1,5 Kilometern Durchmesser und einer Dichteanomalie von zwanzig Prozent in einer Tiefe von bis zu zwei Kilometern registrieren.
Aber noch funktionieren solche Atomuhren nur in Labors, weil sie sind nicht transportierbar sind. Dies soll sich in den nächsten Jahren ändern: Zurzeit arbeiten verschiedene Unternehmen und Forschungsinstitute, darunter das Neuenburger Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique CSEM, daran. „Frühestens 2022 wird eine solch ultrapräzise portable Atomuhr an Bord eines ESA-Satelliten ins All fliegen“, sagt Prof. Philippe Jetzer, Schweizer Delegierter der STE-Quest-Satellitenmission. Bereits 2014 oder 2015 soll das „Atomic Clock Ensemble in Space ACES“ zur Internationalen Raumstation ISS gebracht werden. ACES ist ein erster Prototyp. (mai/mgt)
