Quanten-Gravimeter Verstecktes im Erdboden aufspüren

Ist die Erforschung von Weltraum oder Tiefsee schon aufwendig genug, so ist es noch weit schwieriger, tief unter der Erdoberfläche liegende Geheimnisse zu ergründen. Eine hilfreiche Größe dafür ist die Gravitationskraft. Die neuesten Messgeräte erreichen Auflösungen bis herab in den ppb-Bereich.

Der Wert der Erdbeschleunigung – »g« genannt – wird gemeinhin mit 9,81 m/s² angegeben. Das ist aber nur ein Mit­telwert, um den herum gewisse Schwankungen auftreten. Dazu gehören einerseits zeitliche Veränderungen im Rhythmus von 24 Stunden durch den Einfluss der Sonne und von 29 Tagen durch den Mond (Bild 1). Sie sind seit langem sehr genau bekannt und liegen in der Größenordnung von 1 µm/s². Dazu kommen örtliche Schwankungen: Zunächst einmal ist der genaue Betrag wegen der durch die Erdrotation erzeugten Fliehkraft am Äquator mit 9,780 m/s² etwas geringer als an den Polen mit 9,832 m/s² – ein ebenfalls gut bekannter Effekt. Außerdem gib es minimale Schwankungen infolge un­terschiedlicher Dichte des Untergrunds (bis etwa ±2 mm/s²). Diese sind bisher weitestgehend unbekannt, aber von hohem Interesse.

Mit Quanteneffekten Bodenschätze finden

Eine hochauflösende Schweremessung kann Aufschlüsse über die Bodenzusammensetzung geben. Nützlich ist das z. B. bei der Rohstoff-Exploration. Es gibt die verschiedenartigsten Messprinzipien dafür. Im Laufe der Jahrzehnte sind die Geräte immer empfindlicher geworden. Die allerneuesten erreichen jetzt Auflösungen unterhalb von 10-9 g (etwa 10 nm/s²). Zu erreichen ist das nur mit extrem hohem technischem Aufwand. Klassische physikalische Methoden stoßen hier an ihre Grenzen, weil Quanteneffekte berücksichtigt werden müssen, die mit normaler makroskopischer Betrachtungsweise nicht verstehbar sind. Der Welle-Teilchen-Dualismus tritt nicht nur bei Licht auf, sondern auch bei Materie. Partikel mit atomaren Größen oder darunter zeigen bei ihrer Bewegung ebenfalls Welleneigenschaften. Diese werden gezielt genutzt, daher der Name »Quanten-Gravimeter«.

Stark vereinfacht ausgedrückt ist die Funktionsweise so: In einer magnetisch abgeschirmten Hochvakuumkammer wird im oberen Bereich eine Testmasse fallen gelassen, und man misst dann, wie schnell sie sich nach unten beschleunigt. In diesem Fall dient dazu eine »Wolke« aus etwa 106 bis 107 Rubidium-87-Atomen, die mittels Laserkühlung auf eine absolute Temperatur von etwa 1 µK abgekühlt werden, sich also nur äußerst langsam bewegen. Zunächst sind sie in einer magneto-optischen Falle gefangen (Bild 2). Nach Öffnen der Falle sinken sie nach unten. Im freien Fall wird die Abwärtsbewegung über ein interferometrisches Verfahren in Verbindung mit Raman-Spektroskopie mit der nötigen ultrahohen Auflösung gemessen. Dazu wird ein Laserstrahl mit höchstmöglicher Frequenzstabilität auf einer Wellenlänge von 780 nm benötigt. Als günstigste Lösung zeigte sich eine leicht erhältliche Telekommunikations-Laserdiode mit 1560 nm, deren Frequenz in einem nichtlinear-optischen Kristall verdoppelt wird. Für das Messprinzip müssen die internen Atomzustände ausgewertet werden. Das geschieht am Ende des freien Falls optisch über einen Fluoreszenzdetektor (Bild 2, d). Der gesamte Messvorgang wiederholt sich im Sekundentakt. Eine physikalisch tiefgehende Beschreibung des Prinzips findet sich in der Originalpublikation des Verfahrens [1].

Marktreifes Quanten-Gravimeter

Die Grundidee ist seit Jahren bekannt. Eine solche Apparatur tatsächlich zu bauen, war aber lange Zeit eine extreme technische Herausforderung. Die ersten Systeme dieser Art waren reine Laborkonstrukte an Hochschulen, mit hohem Platzbedarf, störanfällig, kompliziert zu bedienen und sehr teuer. Doch mittlerweile hat sich das geändert. Pionierarbeit auf diesem Gebiet hat die französische Firma Muquans geleistet, ansässig in Talence, einem Vorort von Bordeaux. Mit dem »Absolute Quantum Gravimeter« (AQG) steht jetzt ein industrielles, marktfähiges Produkt zur Verfügung, auf etwa ein Zehntel des Bauvolumens der älteren geschrumpft, transportierbar und dank weitestgehender Automatisierung ohne Spezialwissen relativ einfach zu bedienen. Es besteht aus einer Steuereinheit im 19-Zoll-Rack und einem separaten Sensorkopf (Bild 3). Der Einsatztem­peraturbereich ist wesentlich erweitert, statt einst nur +20 °C bis +30 °C jetzt –40 °C bis +70 °C. All diese Verbesserungen waren mit einer sehr aufwendigen Software-Entwicklung verbunden.

Eine besondere Herausforderung ist die Eliminierung aller Artefakte, um ein reines Messsignal zu erhalten. Noch am einfachsten zu korrigieren ist der sta­tische Einfluss der geografischen Breite, ebenso die periodisch variierenden schon genannten Einflüsse von Sonne, Mond und Gezeiten. Sehr viel aufwendiger wird es bei den Bodenerschütterungen durch menschliche Einflüsse, etwa Straßenverkehr, der in der Um­gebung des Firmengebäudes von Muquans beträchtlich ist. Ein eingebauter konventioneller Beschleunigungssensor liefert ein Kompensationssignal, mit dessen Hilfe sich die Störungen weitgehend herausrechnen lassen. Auch dabei steckt wieder der größte Teil der Entwicklungsarbeit in der Software. Um die Auflösung von 10-9 g zu erreichen, ist eine langwierige zeitliche Mittelung sehr vieler Messwerte nötig. So dauert die Gewinnung ei­nes derart genauen Ergebnisses rund 20 Minuten. Das Gerät ist im Dauer­betrieb über Wochen und Monate hinweg einsetzbar, es ist prinzipbedingt frei von Langzeitdrift.

Ein vielversprechendes Anwendungsfeld sind geophysika­lische Untersuchungen verschiedenster Art. Bei fester Installation an einem Ort sind damit sich anbahnende Erdbeben und Vulkanausbrüche erkennbar. Für 2020 ist eine Aufstellung am Ätna geplant, um die Anwohner frühzeitig vor Ausbrüchen warnen zu können.

Anwendungsfeld seismologische Untersuchungen

Ein in Mexiko am 8. 9. 2017 aufgetretenes Erdbeben der Stärke 8,1 konnte in Frankreich nachgewiesen werden. Auch Verschiebungen der Eismassen an den Polen lassen sich messen. Abtasten eines ausgedehnten Geländes liefert eine »Gravitations-Landkarte«, die Anomalien im Boden zeigt – sehr hilfreich bei der Suche nach Rohstoffen oder Wasser. Die laterale Auflösung liegt bei dicht unter der Oberfläche liegenden Objekten bei einigen Metern, mit zunehmender Tiefe wird sie naturgemäß immer gröber. Laut Aussage von Muquans-Geschäftsführer Bruno Desruelles sind auch unterirdische Höhlen und Tunnel damit zu entdecken, wenn sie nicht allzu tief liegen.

Die Hoffnung, auf diese Weise einen im Boden vergrabenen alten Goldschatz zu finden, wird sich damit sicher nicht erfüllen. Es wäre auch höchst fraglich, ob ein solcher die Kosten des Geräts decken würde. Wird damit aber ein größeres Erzlager entdeckt, dann wäre die Anschaffung bald amortisiert.

Literatur

[1]     Ménoret, V.; Vermeulen, P.; Desruelle B.; et al.: Gravity measurements below
10−9 g with a transportable absolute quantum gravimeter. Nature, Scientific Reports 8, 2018. https://www.nature.com/articles/s41598-018-30608-1