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Magnetfelder sind im Weltraum allgegenwärtig. Ihre unsichtbaren Kräfte durchziehen das Universum und beeinflussen die Entwicklung von Sternen, Planeten und anderen kosmischen Strukturen, indem sie Materie zusammenhalten, Teilchen beschleunigen und die Ausrichtung von Objekten beeinflussen. Die Magnetfelder werden von jedem Medium, das sie durchqueren - Gestein, Wasser oder Plasma - beeinflusst. Ihre Veränderung kann somit Auskunft über die Beschaffenheit jener Medien geben - beispielsweise von Himmelskörpern.
Seit etwas mehr als zwei Jahren ist das von der TU Graz und dem Institut für Weltraumforschung (IWF) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften entwickelte Skalarmagnetometer mit "Juice" auf dem Weg zum Jupiter, um dort flüssiges Wasser unter der Oberfläche von dessen Eismonden zu entdecken. Es kann Magnetfelder um ein Vielfaches genauer vermessen als seine klassischen Vorgänger und dient dort aufgrund seiner Genauigkeit als Referenzgerät für weitere Magnetometer auf der Sonde.
Während es noch bis 2031 seine Reise fortsetzt, hat Roland Lammegger vom Institut für Experimentalphysik der TU Graz das von ihm erdachte Coupled Dark State Magnetometer (CDSM) mit seinem Kollegen Christoph Amtmann und einem Team des IWF weiterentwickelt. Denn das Magnetfeld hat neben einer gewissen Stärke auch eine Richtung, die gemessen werden soll - so wie es beispielsweise ein Kompass anzeigt.
Die verbesserte Version kann auch deren Richtung des Magnetfelds bestimmen. Das war mit rein optischen Magnetometern bisher nicht möglich. "Bisher gab es nur theoretische Überlegungen, wie mit einem Skalarmagnetometer auch die Richtung eines Magnetfelds bestimmt werden kann. Wir haben jetzt quasi auch einen Kompass für die Magnetfeldmessung", freute sich Lammegger gegenüber der APA.
Die Technik des bisherigen Skalarmagnetometers basiert auf einem Gas aus Rubidiumatomen, das von präzise eingestellten Laserstrahlen bestrahlt wird. Diese versetzen die Atome in spezielle Zustände, wodurch sich die Lichtdurchlässigkeit des Gases verändert. Je nach Magnetfeldstärke entstehen unterschiedliche Lichtmuster, das sogenannte Absorptionsspektrum. Aus diesem Muster können die Forscher selbst kleinste Magnetfelder erkennen und Rückschlüsse auf die Magnetfeldstärke ziehen.
Um auch an Informationen über die Magnetfeldrichtung zu kommen, war eine genaue Untersuchung der Resonanzamplituden der Atome notwendig. Im Versuchsaufbau mit zwei zueinander gewinkelten Laserlichtstrahlen konnten jeweils zwei Resonanzen gemessen werden: eine, die hauptsächlich parallel auf jeden Lichtstrahl ausgerichtet ist. Und eine zweite, die im rechten Winkel dazu ein Maximum aufweist. Durch den Vergleich der Stärke dieser Resonanzen ließ sich der Winkel des Magnetfeldes auf Winkelminuten genau bestimmen.
Die Tests wurden im Conrad Observatorium von Geosphere Austria in Niederösterreich durchgeführt. Dort waren nicht nur Erdmagnetfeldmessungen möglich, sondern auch die Erzeugung von Testmagnetfeldern, um die "blinden Flecken" des Magnetometers zu untersuchen. Um seine Funktionstüchtigkeit und Stabilität zu überprüfen, lief das Gerät über einen Monat.
Christoph Amtmann zeigte sich mit dem Erreichten noch immer nicht zufrieden: "Wenn wir das Magnetometer mit vier statt mit zwei Laserstrahlen betreiben würden, könnten wir noch genauere Ergebnisse erzielen", so Amtmann. "Das würde aber die mechanische und optische Komplexität stark erhöhen und wäre beim aktuellen technischen Stand für einen Einsatz in Satelliten ungeeignet". Die neue Entwicklung zeige jedenfalls, dass das Magnetometer auch mit zwei Laserstrahlen für planetare Sonden vielversprechend sei.
"Natürlich wollen wir in der Richtungsmessung wie bei der Messung der Stärke des Magnetfelds hochpräzise Messungen erreichen. Wir wissen im Prinzip bereits, was wir noch besser machen können und verfolgen es weiter" so Lammegger gegenüber der APA. Gefördert wurde die bisherige Entwicklung über das Projekt "1.000 Ideen" des Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF.
A photograph shows the European spacecraft JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) in a clean room at the ESA (European Space Agency) headquarters in Toulouse, southwestern France, on 5 April, 2022. The JUICE's mission will be mainly devoted to the study of the Jupiter system as an archetype of gas giants. It will examine the Jovian system as a whole, focusing particularly on three of the four Galilean icy moons (Europa, Ganymede and Callisto) which potentially harbor oceans. (Photo by Lionel BONAVENTURE / AFP)
