Vom Labor in die Luft: Handtellergroße Glasbank macht Atomgravimeter mobil

Gemeinsam mit dem Quantentechnologie-Unternehmen Nomad Atomics entwickeln Forschende vom Fraunhofer IZM im Forschungsprojekt QuoGkA ein kompaktes Atomgravimeter, welches zukünftig aus der Luft Gravitationsfelder messen soll. Dafür werden die bislang laborgebundenen Messsysteme so weit miniaturisiert, dass sie mühelos in eine Drohne passen. Essenziell für diesen Schritt ist die am Fraunhofer IZM entwickelte hochintegrierte Glasbank, die zentrale optische Komponenten sowie eine Rubidium-Glaszelle vereint. Damit ermöglicht die Technologie hochpräzise Schwerkraftmessungen außerhalb des Labors und eröffnet neue Anwendungen in Bereichen wie Bergbau, Umweltmonitoring und Forschung.

Mit Atomgravimetern lassen sich Gravitationsfelder hochpräzise messen. Ihr Messprinzip basiert auf der Atominterferometrie, bei der ultrakalte Rubidiumatome als Quantensensoren dienen. Das Alkalimetall eignet sich besonders gut, da es einen gut kontrollierbaren Laserübergang hat und sich relativ einfach kühlen lässt. Die Atome werden so stark abgekühlt, dass sie sich wie Wellen verhalten. Kurze Laserpulse teilen diese „Atomwellen“, schicken sie in unterschiedliche Richtungen und führen sie wieder zusammen. Der gemessene Unterschied zeigt die Stärke der Schwerkraft. So lassen sich kleinste Veränderungen des Schwerefeldes erfassen und Rückschlüsse auf unterirdische Strukturen ziehen – etwa für Rohstofferkundung, Wasserwirtschaft oder geophysikalische Forschung.

Kompakte Quantensensorik für mobile Schwerkraftmessungen

Bislang sind entsprechende Systeme groß, schwer und überwiegend laborgebunden. Kommerzielle Atomgravimeter können weit mehr als 100 Kilogramm wiegen und sind für mobile Anwendungen daher nur eingeschränkt geeignet. Mit QuoGkA (»Quantensensorik durch optische Integration für Gravimetrie mit kalten Atomen«) wollen Forschende des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM und Projektpartner Nomad Atomics den logistischen Aufwand massiv verringern, sodass sich die Systeme perspektivisch sogar auf Drohnen einsetzen lassen. Dafür werden die optischen Systeme miniaturisiert und auf einer gemeinsamen Plattform integriert – der zentrale Beitrag des Fraunhofer IZM.

Hochintegrierte Glasbank als Schlüsseltechnologie

Im Mittelpunkt steht eine elektro-optische Leiterplatte, die optische und elektrische Funktionen auf einer gemeinsamen Glasplattform vereint. Die bislang einzeln aufgebauten Komponenten werden dabei auf einer Fläche von rund 50 cm² integriert.

Herzstück sind im Glas integrierte Lichtwellenleiter, die das Laserlicht präzise durch das System führen. Dafür nutzt das Fraunhofer IZM ein spezielles Ionenaustauschverfahren, das weltweit nur von wenigen Forschungsinstituten und Unternehmen beherrscht wird. Während entsprechende Wellenleiter bislang vor allem bei 1.550 Nanometern für Telekommunikationsanwendungen eingesetzt wurden, realisieren Fraunhofer-IZM-Forschende nun erstmalig Single-Mode-Wellenleiter mit einer Zielwellenlänge von 780 Nanometern in einem industriellen Prozess mit kommerziellem Dünnglas. Diese Wellenlänge wird benötigt, um die Rubidiumatome für die Atominterferometrie auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abzukühlen.

Zu den Schlüsselkomponenten gehören ein Multimode-Interferenzkoppler, ein Evaneszenz-Koppler zur Aufteilung der Lasersignale sowie ein 1-zu-n Schalter auf Basis eines vom Startup Hyphox entwickelten elektro-optischen Polymers. Dieser verteilt das Lasersignal elektrisch auf einen von vier Kanälen. Zudem entwickeln Projektleiter Jackson Kocis und sein Team eine Rubidium-Gaszelle aus Glas, die per Laserschweißverfahren gefertigt wird und bereits optische Komponenten zur Strahlformung integriert.

Durch die Kombination dieser Technologien entsteht eine hochintegrierte Plattform für die Quantensensorik, die sich industriell fertigen und künftig auch mobil einsetzen lässt. So sollen hochpräzise Schwerkraftmessungen auch in bislang schwer zugänglichen Regionen möglich werden.

Das Projekt QuoGkA läuft vom 01.08.2024 bis 31.07.2027 und wird im Rahmen des Förderprogramms ProFIT (IBB) unter dem Förderkennzeichen 10206866 durchgeführt. Neben dem Fraunhofer IZM ist Nomad Atomics beteiligt.