In einem hermetisch abgeschotteten Stahltank, Meter tief unter Wettzell im Bayerischen Wald, sind Wissenschaftler dem „Stottern” der Erde auf der Spur. Dort strahlt seit einigen Wochen in einem unterirdischen Labor, das von der Fundamentalstation des Bundesamts für Kartografie und Geodäsie gemeinsam mit der TU München betrieben wird, der größte Ringlaser der Welt. Aus dem Frequenzunterschied zweier entgegengesetzt laufender Laserstrahlen sollen Schwankungen der Erdrotation präzise bestimmt werden. „Die Kenntnis, wie schnell sich die Erde dreht, ist wichtig für jede Art von Positionsbestimmung, zur Navigation, aber auch für moderne geodätische Messgeräte”, sagt Projektleiter Dr. Wolfgang Schlüter. In einer Röhre wird ein Gemisch aus Helium und Neon durch eine elektrische Gasentladung in einer Plasmaquelle zur Aussendung von Laserlicht angeregt. Das Licht läuft in zwei Strahlen im und gegen den Uhrzeigersinn durch die Resonatorröhre. Wegen der Drehung der Erde legen die Strahlen eine unterschiedliche Wegstrecke zurück und besitzen so etwas verschiedene Frequenzen. Variiert die Rotationsgeschwindigkeit der Erde, ändert sich auch der Frequenzunterschied. „So können wir Variationen in der Erdrotation mit derselben Präzision wie mit astronomischen Verfahren messen”, sagt Schlüter. „Da die Zeitauflösung besser ist, können wir sogar Schwankungen über wenige Stunden feststellen.” Änderungen der Erdrotation werden etwa durch Ebbe und Flut, die Verlagerung von Hoch- und Tiefdruckgebieten oder Vulkanausbrüche hervorgerufen. Auch die Verschiebung der Kontinente beeinflusst die Drehung der Erde. „Um dies messen zu können, müssen wir Frequenzunterschiede von nur einem millionstel Hertz aus einer Frequenz von rund 300 Hertz erfassen”, erläutert Dr. Ulrich Schreiber von der TU München. Dies stellt extreme Anforderungen an die Genauigkeit und Stabilität des Ringlasers, der von der Oberkochener Firma Carl Zeiss gefertigt wurde. Vier jeweils vier Meter lange Röhren für den Laser sind auf einem zehn Tonnen schweren Resonatortisch aus Zerodur angebracht – einer Glaskeramik, die sich bei Erwärmung fast nicht ausdehnt. Die gesamte Apparatur ruht auf einem Granittisch, der in einem elf Meter hohen Betonpfeiler eingegossen und so fest mit dem Fels im Untergrund verbunden ist. Eine zwei Meter dicke Spezialisolierung und mehrere Kühlschleusen sorgen dafür, dass die Temperatur in dem Tank maximal um wenige tausendstel Grad schwankt. Der Luftdruck wird durch eine aktive Steuerung auf ein Zehntel Hektopascal konstant gehalten. Derzeit testen die Forscher den Ringlaser auf seine Funktionstüchtigkeit. Im Verlauf der kommenden Monate wollen sie sich dann allmählich an die erhoffte Präzision und Auflösung des Sensors herantasten.
Hans Groth
