Quantensensor soll Erdmagnetfeld aus dem Orbit messen
Fehlstellen in Diamantkristallen ermöglichen exakte Messungen der Stärke und Ausrichtung eines Magnetfelds.
SBQuantum-Mitarbeiter zeigen in den Himmel.
(Bild: SBQuantum)
- Jan Oliver Löfken
Die Erde ist ein Magnet – doch leider kein sehr symmetrischer. So wandern die magnetischen Pole stetig relativ zu den fest lokalisierten geografischen Polen. In langen Zeiträumen wird das Erdmagnetfeld mal stärker, mal schwächer, und kann sich sogar komplett umpolen. Diese Änderungen beeinflussen den magnetischen Schutzschild der Erde vor Teilchenströmen der Sonne und eine zuverlässige Kompass-Navigation. Möglichst genaue und häufige Messungen sind nötig, um das Weltmagnetmodell (World Magnetic Model WMM) in kurzer Folge zu aktualisieren. Die National Geospatial-Intelligence Agency in den USA richtet daher den Wettbewerb MagQuest aus, in dem die weltbesten Magnetometer – auf Satelliten installiert – gegeneinander antreten.
MagQuest geht mit nur noch drei Finalisten nun in eine entscheidende Runde. Neben einem Scaler-Vector-Magnetometer von der University of Colorado in Boulder und einem Vector-Fluxgate-Magnetometer vom Unternehmen Iota Technology setzt die kanadische Firma SBQuantum auf ein neuartiges Quanten-Magnetometer. Alle drei bauen nun kleine, kompakte Systeme, die nach derzeitiger Planung Mitte 2025 in einer Erdumlaufbahn ihre Messungen aufnehmen sollen.
Herzstück des Quanten-Magnetometers ist ein künstlicher Diamant. Während der Züchtung der Diamantkristalle aus einer heißen Kohlenstoff-haltigen Wolke entstehen bewusst Fehlstellen in der Kristallstruktur, so genannte Stickstoff-Lücken. An diesen Fehlstellen werden jeweils zwei Elektronen quasi befreit. Daher kann deren Eigendrehimpuls, der Spin, von einem Magnetfeld über den Zeeman-Effekt beeinflusst werden. Es kommt zu einer Aufspaltung von Spektrallinien durch die unterschiedliche Verschiebung von Energieniveaus einzelner Zustände. Mithilfe einer Kombination aus einem exakt justierter Laser, eines Mikrowellen-Senders und eines Photodetektors lässt sich diese Aufspaltung als exaktes Maß für das Magnetfeld messen.
Mit ihrem Quanten-Magnetometer hoffen die Entwickler von SBQuantum die Stärke und Ausrichtung eines Magnetfelds zuverlässiger und genauer messen zu können als die beiden anderen Finalisten. Ob das tatsächlich gelingt, werden die Versuche in den kommenden Jahren zeigen. Danach könnte der Sieger von MagQuest die drei Satelliten Alpha, Bravo und Charlie der Swarm-Mission der europäischen Raumfahrtbehörde ESA ersetzen. Denn die Ende 2013 gestarteten Swarm-Satelliten messen das Erdmagnetfeld schon deutlich länger als vorgesehen – die Mission war auf vier Jahre ausgelegt – und warten quasi auf Ablösung.
(bsc)