PuK - Prozesstechnik & Komponenten 2024
Eine seit mehr als 60 Jahren bestehende Fachzeitschrift mit Themen rund um Einsatz von Pumpen, Kompressoren und Komponenten.
Eine seit mehr als 60 Jahren bestehende Fachzeitschrift mit Themen rund um Einsatz von Pumpen, Kompressoren und Komponenten.
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
Vakuumtechnik<br />
Vakuum-Anlagensystem<br />
Auf den Spuren des Urknalls<br />
Vakuum-Anlagensystem für die Technologieentwicklung in der<br />
Gravitationswellendetektion<br />
Prof. Dr. Oliver Gerberding, Jens Grundmann, Dr. René Wutzler, Dr. Artem Basalaev<br />
Wie entstand unser Universum? Woraus<br />
besteht unser Universum? Und<br />
welche Ereignisse traten während<br />
des Entstehungsprozesses auf? Diese<br />
und weitere Fragen beschäftigen<br />
Astronomen und Physiker heute auf<br />
der ganzen Welt. Um diese Fragen<br />
beantworten zu können, benötigen<br />
wir Informationen über die dunklen<br />
Objekte in unserem Universum und<br />
über die Zeit nahe dem Urknall, vor<br />
rund 13,8 Milliarden Jahren. Aber<br />
wie kommt man an Informationen<br />
über Objekte, die man nicht sehen<br />
und somit nicht mit elektromagnetischer<br />
Strahlung beobachten kann?<br />
Wie soll man nahe am Urknall, in einer<br />
Zeit, in der das Universum undurchsichtig<br />
war, Objekte und Ereignisse<br />
beobachten können? Ein<br />
Informationsträger solch „alter“ Informationen<br />
sind die so genannten<br />
Gravitationswellen.<br />
Bereits 1915 beschrieb Albert<br />
Einstein in seiner allgemeinen Relativitätstheorie<br />
[1] den Einfluss von<br />
Masse auf Raum und Zeit, kurz die<br />
Raumzeit. Massen krümmen die<br />
Raumzeit, was wiederum die Bewegung<br />
von Massen beeinflusst, wodurch<br />
das Phänomen der Gravitation,<br />
also die der Schwerkraft, beschrieben<br />
wird. Die Ausbreitung von Raumzeitstörungen,<br />
erzeugt durch beschleunigte<br />
Massen, bezeichnet man heute<br />
als Gravitationswellen und sie erzeugen<br />
winzige Abstandsänderungen in<br />
großer Entfernung von ihrer Quelle.<br />
Einstein entwickelte zwar die Theorie<br />
der Existenz dieser Gravitationswellen<br />
bereits 1915, vermutete aber<br />
zu dieser Zeit, dass wir davon auf<br />
der Erde nichts mitbekommen werden.<br />
2015 gelang es Wissenschaftlern<br />
dann, genau diese Gravitationswellen<br />
zu detektieren [2]. Mit Hilfe des LIGO<br />
(Laser-Interferometer Gravitationswellen-Observatorium)<br />
in den USA<br />
konnte die Kollision zweier Schwarzer<br />
Löcher detektiert werden, welche beide<br />
ein Vielfaches der Masse unserer<br />
Sonne aufwiesen. Diese Kollision ereignete<br />
sich in einem Abstand von 1,3<br />
Milliarden Lichtjahren von der Erde,<br />
womit ein kosmisches Ereignis beobachtet<br />
werden konnte, welches bereits<br />
vor 1,3 Milliarden Jahren stattfand.<br />
Seitdem konnten mehr als 100<br />
solcher Ereignisse aufgezeichnet werden<br />
[3].<br />
Was kann man sich unter Gravitationswellen<br />
vorstellen? Als einfachen<br />
Vergleich kann man einen<br />
großen, stillen See nutzen, in welchen<br />
ein Stein geworfen wird. An dem Ort,<br />
an dem der Stein die Wasseroberfläche<br />
durchstößt, entstehen Wellen.<br />
Diese Wellen verlieren mit der Entfernung<br />
vom Einschlagort langsam<br />
ihre Stärke, so dass am Ufer des Sees<br />
die Wellen kaum noch spürbar sind.<br />
Überträgt man diese Beobachtung<br />
auf den Weltraum, so wäre der See<br />
unser Universum und der Stein würde<br />
eine Störung der Raumzeit durch<br />
eine beschleunigte Masse, z. B. ein<br />
sich bewegender Stern oder ein kollabierendes<br />
Schwarzes Loch, symbolisieren.<br />
Die Auswirkung im Sinne<br />
der Gravitationswellen würden wir<br />
an unserer Messposition, der Erde<br />
als Analogie zum Ufer des Sees, fast<br />
nicht bemerken. Denn zusätzlich zum<br />
Abstand zu den Ereignissen ist die<br />
Raumzeit sehr steif und lässt sich viel<br />
weniger in Schwingung versetzen als<br />
Wasser. Somit können nur extreme<br />
Ereignisse, wie die Verschmelzung<br />
Schwarzer Löcher, überhaupt messbare<br />
Gravitationswellen erzeugen.<br />
Die durch Gravitationswellen hervorgerufenen<br />
Abstandsänderungen<br />
sind extrem klein. So verändert eine<br />
Gravitationswelle, welche durch die<br />
Verschmelzung von Schwarzen Löchern<br />
innerhalb der Milchstraße erzeugt<br />
wird, den Abstand zwischen<br />
Sonne und Erde lediglich um den<br />
Durchmesser eines Wasserstoffatoms.<br />
Zusätzlich bleibt diese Abstandsänderung<br />
für viele derzeit<br />
beob achtete Objekte nur für Tausendstel<br />
einer Sekunde bestehen.<br />
Aus diesen winzigen Messgrößen ergeben<br />
sich auch besondere Anforderungen<br />
an die zu verwendende Messtechnik.<br />
Die zentrale Eigenschaft der Speziellen<br />
Relativitätstheorie, in der die<br />
Lichtgeschwindigkeit für jeden Beobachter<br />
konstant ist, wurde mit<br />
einem Michelson-Interferometer von<br />
Michelson und Morley nachgewiesen.<br />
Das Prinzip, das dieser Messapparatur<br />
zugrunde liegt, ist die Laser-Interferometrie<br />
[4]. Eben solche Laser-<br />
Interferometer werden auch für die<br />
Detektion von Gravitationswellen<br />
verwendet, da sie winzige Abstandänderungen<br />
extrem gut vermessen<br />
können. Die besondere Herausforderung<br />
bei dieser Methode liegt in der<br />
L-förmigen Anordnung und möglichst<br />
langen, optischen Laufstrecken (so<br />
genannten Armen) von infrarotem<br />
Laserlicht. Lange Arme vergrößern<br />
den Effekt der Gravitationswelle so,<br />
dass die Abstandsänderungen noch<br />
nachgewiesen werden können. Das<br />
Laserlicht wird mittels halbdurchlässiger<br />
Spiegel in besagte Arme eingeleitet<br />
und an deren Ende durch weitere<br />
Spiegel reflektiert, um an ihren<br />
Ursprungsort zurückgeleitet zu werden.<br />
Dort findet nun eine Überlagerung<br />
der Lichtwellen (Interferenz)<br />
statt. Interferierende, also sich überlagernde<br />
Wellen können sich verstärken,<br />
wenn bei gleicher Wellenlänge<br />
„Wellenberg auf Wellenberg“ trifft<br />
(konstruktive Interferenz). Oder es<br />
kommt beim Zusammentreffen von<br />
„Wellenberg und Wellental“ zur Auslöschung<br />
(destruktive Interferenz). Im<br />
Experiment wird das System so eingestellt,<br />
dass kein Licht am Ausgang<br />
42 PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN <strong>2024</strong>