In der Raumfahrt gewinnen Quantensensor-Technologien zunehmend an Bedeutung. Bestehende Systeme für präzise Aufgaben wie Magnetfeldmessungen erfordern oft sehr große und teure Satelliten. Daher arbeiten Wissenschaftler an quantenbasierten Alternativen, die dieselben Messungen mit viel kleineren Geräten durchführen können. Ein neues Experiment auf der Internationalen Raumstation (ISS) zeigt nun, dass hierbei ein wichtiger Meilenstein erreicht wurde.
Das Quantengerät namens OSCAR-QUBE hat mit einer sehr kleinen Struktur das Magnetfeld der Erde erfolgreich gemessen. Dieses System war etwa 10 Monate lang aktiv auf der ISS im Einsatz.
OSCAR-QUBE besteht aus einem kompakten, etwa 10 Zentimeter großen würfelförmigen Gerät. Im Zentrum des Systems befindet sich ein spezieller linsengroßer Diamant. Was diesen Diamanten jedoch besonders macht, ist nicht seine Größe, sondern die Defekte in seiner Struktur. Wissenschaftler nutzten bei diesem Experiment atomare Defekte in der Kristallstruktur des Diamanten, sogenannte „Stickstoff-Fehlstellen-Zentren“ (NV-Zentren). Diese Defekte entstehen an Stellen, wo ein Kohlenstoffatom fehlt und durch ein Stickstoffatom ersetzt wurde. Diese auf Quantenebene agierenden Strukturen reagieren äußerst empfindlich auf das umgebende Magnetfeld.
Das Magnetfeld der Erde ist noch immer nicht vollständig entschlüsselt
Während des Experiments sendeten Wissenschaftler Laserlicht und Mikrowellen auf diesen Diamanten. Wenn sich das Magnetfeld änderte, veränderten sich auch die Eigenschaften des vom Diamanten emittierten Lichts. Durch die Analyse dieser Veränderungen konnte das Forschungsteam Unterschiede im Magnetfeld der Erde messen. Es wird berichtet, dass die von OSCAR-QUBE gesammelten Daten weitgehend mit früheren Messungen übereinstimmen. Dies zeigt, dass das System unter realen Weltraumbedingungen zuverlässig funktionieren kann.
Tatsächlich ist das Magnetfeld der Erde noch immer nicht vollständig entschlüsselt. Obwohl Wissenschaftler wissen, dass dieses Feld größtenteils durch Bewegungen im geschmolzenen äußeren Kern des Planeten entsteht, ist noch immer nicht klar erklärt, warum das Feld gelegentlich schnelle und unvorhersehbare Veränderungen aufweist. Zudem ist bekannt, dass das Magnetfeld der Erde in den letzten 200 Jahren allmählich schwächer geworden ist. Daher sind präzisere Messungen von großer Bedeutung, um sowohl die innere Struktur unseres Planeten zu verstehen als auch die Ursachen dieser Veränderungen zu entschlüsseln.
Quantensensoren könnten den Weg für kleinere und billigere Satelliten ebnen
Laut Forschern könnten solche Quantensensoren nicht nur für wissenschaftliche Untersuchungen, sondern auch für Navigationstechnologien entscheidend sein. Insbesondere in Umgebungen, in denen keine GPS-Signale verfügbar sind, könnten präzise magnetische Kartierungssysteme einen wichtigen Vorteil bieten. Es wird auch angenommen, dass diese Sensoren in Bereichen wie der Untersuchung geologischer Prozesse und der Verfolgung von Weltraumwetterereignissen eingesetzt werden können.
Andererseits betont das Forschungsteam ausdrücklich, dass OSCAR-QUBE keine bessere Leistung als bestehende herkömmliche Magnetometer gezeigt hat. Der wichtigste Punkt hierbei ist jedoch, dass dieses quantenbasierte System erfolgreich in der realen Weltraumumgebung getestet wurde. Denn Faktoren wie Strahlung, Temperaturschwankungen und Vibrationen in der Weltraumumgebung können den Betrieb solch empfindlicher Systeme erheblich erschweren.
Die Forscher weisen auch darauf hin, dass die Messungen vom Inneren der ISS aus durchgeführt wurden und die von den elektronischen Geräten der Station erzeugten magnetischen Störungen die Daten teilweise beeinträchtigten. Daher sind in der nächsten Phase neue Experimente geplant, bei denen verbesserte Quantenhardware außerhalb der ISS platziert wird. Dadurch sollen viel sauberere und präzisere Daten gewonnen werden.
Nach Ansicht von Wissenschaftlern könnten solch kompakte magnetische Sensoren mit der Weiterentwicklung der Quantenhardware in Zukunft zu Standardkomponenten kleiner Satellitenflotten werden. Dadurch könnten sowohl die Kosten für Nutzlasten ins All drastisch gesenkt als auch wesentlich höher auflösende Daten über das Magnetfeld der Erde gewonnen werden.
