Als Teil eines neuen NASA Quantum Pathways Institute, das aus einem multiuniversitären Forschungsteam besteht, wird Daniel Blumenthal, Professor für Elektro- und Computertechnik an der UC Santa Barbara, dazu beitragen, Technologien und Werkzeuge zu entwickeln, um die Messung wichtiger Klimafaktoren durch die Beobachtung von Atomen im Weltraum zu verbessern.
„Wir blicken in ein Universum, in das wir noch nie zuvor geblickt haben“, sagte er.
Unter der Leitung von Kollegen der University of Texas (UT) in Austin werden sich Blumenthal und die anderen Forscher auf die Quantensensorik konzentrieren, bei der es darum geht, zu beobachten, wie Atome auf kleine Veränderungen in ihrer Umgebung reagieren, und daraus die zeitlichen Schwankungen im Gravitationsfeld abzuleiten der Erde. Dies wird es den Wissenschaftlern ermöglichen, die Genauigkeit bei Messungen mehrerer wichtiger Klimaprozesse zu verbessern, wie z. B. Anstieg des Meeresspiegels, Geschwindigkeit der Eisschmelze, Änderungen der Landwasserressourcen und Änderungen der Wärmespeicherung der Ozeane.
„In letzter Zeit gab es enorme Fortschritte bei Quantenmethoden, hauptsächlich im Zusammenhang mit Computern“, sagte Srinivas Bettadpur, Leiter des neuen Projekts und Direktor des Zentrums für Weltraumforschung an der UT Austin. „Wir wollen die Quantensensorik im Weltraum einsetzen – wo man den gesamten Planeten beobachten kann – um Probleme der nächsten Generation zu lösen, indem wir Klimaprozesse beobachten, interpretieren und verstehen.“
Das neue Quantum Pathways Institute umfasst auch Forscher der University of Colorado Boulder, des California Institute of Technology und des US National Institute for Standards and Technology (NIST).
Dies wird der erste Versuch sein, das zu etablieren, was als „Quantum 2.0“ bekannt ist – also über die in der Physik bekannten Quantenprinzipien hinauszugehen und sie tatsächlich in nutzbare Gerätekonzepte zu übersetzen.
Die Forscher werden sich speziell mit Änderungen der Gravitationskräfte und ihrer Bedeutung für das Klima befassen. Wenn sich das Klima ändert – mit schmelzenden Eiskappen und sich ändernden Meeresspiegeln und Temperaturen – ändern sich auch die Gravitationskräfte um die Erde und im Weltraum. Atome, die die Erde umkreisen, reagieren auf diese Gravitationsänderungen. Durch die Messung dieser Reaktionen können die Forscher Veränderungen in Klimaprozessen besser ablesen.
Die Herausforderung für das Team ist zweifach. Teile dieser Sensortechnologien existieren heute, aber vieles von dem, was sie bauen, ist neu.
„Um dies zu tun, müssen wir die Laser und Photonik und Modulatoren und Steuerelektronik nehmen, die 90 % der Atomexperimente hier auf der Erde ausmachen, und wirklich hart daran arbeiten, all diese Präzision auf kleine, stromsparende Chips zu bringen im Weltraum eingesetzt werden können“, sagte Blumenthal, eine selbsternannte „Laserperson“, deren Forschungsexpertise auf sichtbarem Licht und atomarer und quantenphotonischer Integration sowie optischen und Kommunikationstechnologien liegt.
Eine der Technologien, an denen er arbeitet, um den Übergang zum Chip-Maßstab zu unterstützen, ist die Schüttelgitter-Interferometerstruktur des Instituts, die an der University of Colorado entwickelt wurde. Diese Art von Atominterferometersensor verwendet viele Laser und Optiken, um die Atome zu kühlen und einzufangen, um Gravitationsgradienten mit extrem hoher Empfindlichkeit zu messen.
Hinzu kommt die Herausforderung, diese Instrumente in den Orbit zu schicken.
„Sie können im Weltraum keine manuelle Wartung haben – sobald Sie etwas aussenden, ist es außer Reichweite; Sie können es nicht sehen“, sagte Bettadpur. „Man muss viel Arbeit investieren, damit das Instrument fliegt und die Technik mindestens einige Jahre funktioniert, um die Entdeckungen zu ermöglichen.“
Um diese Technologie von Grund auf aufzubauen und weltraumtauglich zu machen, ist ein großes und vielfältiges Forscherteam erforderlich. Bettadpur ist Experte für Orbitalmechanik, Gravitationsfelder und Design von Weltraummissionen. Blumenthal wird mit den Elektro- und Computeringenieurkollegen Seth Bank und Dan Wasserman von der UT Austin zusammenarbeiten, um die photonischen (lichtbasierten) integrierten Schaltkreise für kompakte Chips zu entwickeln, um kleine Schwankungen der Erdanziehungskraft aus dem Weltraum zu messen. Ufuk Topcu, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik und technische Mechanik der UT Austin, wird sein Fachwissen in der Modellierung komplexer Systeme einsetzen, um Modelle für Quantensensorsysteme zu entwickeln, die zur Verbesserung ihrer Zuverlässigkeit und ihres autonomen Betriebs verwendet werden können – beides Schlüsselfaktoren für Weltraumanwendungen, bei denen eine Gerätewartung keine Option ist.
Weitere Teammitglieder sind Dana Anderson, eine Expertin für experimentelle Quantenphysik und Instrumentierung; Penina Axelrad, Expertin für Quantennavigation und Timing; Murray Holland, Theoretische Physik und Quantenmaschinenlernen; und Marco Nicotra, Quantenoptische Steuerung, von der University of Colorado, Boulder. Von Caltech ist auch der System-, Raumfahrt- und Gravitationswissenschaftsexperte Michael Watkins Teil der Gruppe. Michelle Stephens, Physikerin und Expertin für Präzisionsmessungen für Weltraum- und Quantenanwendungen, kommt vom NIST.
Über die Schwerkraftmessung hinaus, um die Klimaprobleme der Erde anzugehen, sieht Blumenthal, dass diese äußerst empfindliche weltraumgestützte Gravitationsmesstechnologie schließlich für andere erdgestützte Anwendungen sowie für Zwecke der zukünftigen Weltraumforschung eingesetzt werden könnte.
„Es könnte sich auf der Raumstation oder auf geostationären Satelliten befinden“, sagte er. „Oder sie könnten zum Jupiter, zur Venus oder zum Mars geschickt werden, um die Schwerkraft dieser Planeten zu kartieren.“