TU Wien: Die Atomkernuhr, die GPS millimetergenau machen soll

Ein Forscherteam der TU Wien hat einen Prototyp vorgestellt, der die Satellitennavigation grundlegend präziser machen könnte: eine Atomkernuhr auf Basis des Isotops Thorium-229. Die Anlage lief 24 Stunden lang völlig stabil – ein Ergebnis, das Fachleute als technischen Durchbruch werten, weil herkömmliche Atomuhren meist auf Cäsium setzen.

Stabiler Prototyp

Statt Cäsium nutzt die neue Konstruktion den Kernübergang von Thorium-229. Das Element wird dafür in einen Calciumfluorid-Kristall eingebettet. Dieser verhindert, dass sich die Atome bewegen, und schirmt die empfindliche Messung gegen äußere Störfelder ab. Erst dieser Aufbau ermöglichte die Stabilität im Testbetrieb.

Warum Nanosekunden zählen

Bei der Satellitennavigation entscheidet jede Nanosekunde über die Genauigkeit: Eine Abweichung von nur einer Nanosekunde erzeugt auf der Erde einen Positionsfehler von rund 30 Zentimetern. Eine orbitale Kernuhr könnte diesen Fehler vom Meter- in den Millimeterbereich drücken. Genau diese Millimetergenauigkeit gilt als technische Grundvoraussetzung dafür, dass vollautonome Fahrzeuge sich in Städten sicher orientieren können.

Noch weit vom Einsatz

Bis zum Einsatz im All ist es ein weiter Weg. Die aktuelle Laboranlage liegt noch um den Faktor 10.000 hinter den besten optischen Systemen zurück und füllt derzeit einen ganzen Raum. Geplant ist, die Technik auf die Größe eines Schuhkartons zu verkleinern, um sie künftig in Navigationssatelliten zu integrieren.

Zeitgleich präsentierte ein Team der Tsinghua-Universität einen eigenen Ansatz mit einem Cadmium-Laser, der eine vergleichbare Stabilität erreichte – ein Hinweis darauf, dass mehrere Gruppen weltweit an derselben Idee arbeiten.

Sicherheit als zweiter Nutzen

Präzisere Zeitmessung hilft nicht nur bei der Genauigkeit, sondern auch bei der Sicherheit von GPS-gestützter Navigation. Laut Bayern Innovativ sind kompakte Atomuhren, sogenannte Chip-Scale Atomic Clocks, in der Lage, Manipulationsversuche am Satellitensignal zu erkennen. Ein Test zeigte 2019, wie ein Tesla Model S durch gefälschte GNSS-Signale von der Straße gelenkt wurde – ein Beispiel für die Gefahr durch sogenanntes Spoofing.

Mit CSACs und zusätzlicher Uhrmodellierung reicht bereits der Empfang von drei statt vier Satelliten für eine genaue Positionsbestimmung, was auch in Häuserschluchten oder Tunneln hilft. Solche Bauteile kosten laut Bayern Innovativ derzeit mehrere tausend Euro pro Stück, mit steigender Stückzahl wird jedoch von sinkenden Preisen ausgegangen.

Blick auf Dunkle Materie

Über die Navigation hinaus hoffen theoretische Physiker, mit der neuen Atomkernuhr auch der Dunklen Materie auf die Spur zu kommen. Eine mögliche kurzzeitige Taktverschiebung durch Dunkle Materie würde sich nur in mikroskopischen Dimensionen zeigen und die praktische Millimetergenauigkeit von Navigationssystemen nicht beeinträchtigen.