Atomic Clock Ensemble in Space

Externe Forschungsplattformen am Columbus-Raumlabor

Das Atomic Clock Ensemble in Space (kurz: ACES) ist ein in Entwicklung befindliches Experimentallabor, das am Columbus-Raumlabor, dem Wissenschaftslabor der ESA für die Internationale Raumstation, befestigt werden soll. Hierzu dient eine Nutzlastpalette; für ACES ist die der Erde zugewandte Palette vorgesehen. Es ist nicht zu verwechseln mit SolACES, einem Versuch zur Messung der Einflüsse durch VUV-Strahlung. ACES dient zum Test einer neuen Generation von Atomuhren unter den Bedingungen der Mikrogravitation. Damit soll eine genauere globale Zeitbestimmung (z. B. für GNSS, insbesondere Galileo) ebenso wie eine Evaluation der Relativitätstheorie möglich werden. Mit der Herstellung ist die Firma Astrium beauftragt.

Die gesamte Einheit soll eine Masse von 227 kg haben und eine elektrische Leistungsaufnahme von 470 W. Ihre Fertigstellung wurde beispielsweise für 2010, 2013, 2016, 2018, 2021 und 2025 angekündigt. Die Versuchsdauer ist mit 18 Monaten angesetzt.

Technische Details

Kern des Experiments ist eine Anordnung von zwei Atomuhren, die nach unterschiedlichen Verfahren arbeiten. Auch die Datenübermittlung zur Erde soll über zwei Übertragungswege erfolgen, zum einen über Mikrowellen, zum anderen über eine Laserstrecke. Damit sollen Laufzeiteffekte verdeutlicht werden, die Laufgeschwindigkeit von Wellen ist nicht konstant. Eine Uplink-Verbindung wird im Ku-Band etabliert, zwei Downlink-Verbindungen im S- und Ku-Band.

Als Uhren werden PHARAO (Projet d’horloge atomique par refroidissement d’atomes en orbite) als lasergekühlte Cäsium-Uhr (cold Cs-Clock) und SHM (Space Hydrogen Maser) als Wasserstoff-Maser eingesetzt. Dabei wurde die Bauform von PHARAO den bisher gewonnenen Erkenntnissen über Einflüsse auf Atomuhren im Orbit angepasst. Hierzu wurden mit einem PHARAO-Prototypen Zero-G-Versuche mit dem A300 der ESA durchgeführt, die Federführung lag dabei bei der CNES, die PHARAO entwickelt und im Juli 2014 fertiggestellt hat.

Beide Uhren werden durch einen internen Auswertungsrechner von ACES synchronisiert, dieser trägt die Bezeichnung FCDP (Frequency Comparison and Distribution Package). Hier werden auch die Zeitsignale für das Downlink aufbereitet.

Bodenstationen für Experimente

Für Versuche mit ACES sind eine ganze Reihe von Bodenstationen vorgesehen, die selbst Referenzuhren unterschiedlicher Bauart betreiben:

• Australien:

University of Western Australia in Perth

CSIRO in Sydney

• Brasilien:

Universität von São Carlos

• China:

NTSC

NIM

Shanghai Observatorium

• Deutschland:

Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig

Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching

Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover

Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Technische Universität München

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

• Frankreich:

CNES

SYRTE in Paris

Laboratoire de Physique des Lasers in Villetaneuse (LPL)

Observatoire de Besançon

OCA

• Großbritannien:

National Physical Laboratory in Teddington

• Italien:

Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica in Turin

Universität Florenz

• Japan:

Universität Tokio

National Metrology Institute of Japan (NMIJ)

Communications Research Laboratory in Tokio (CRL)

• Kanada:

National Research Council (NRC)

• Österreich:

Leopold-Franzens-Universität in Innsbruck

• Russland:

VNIIFTRI in Mendelejewo (Moskau)

ILS in Nowosibirsk

• Schweiz:

Eidgenössisches Institut für Metrologie (METAS)

• USA:

Jet Propulsion Laboratory in Pasadena (Kalifornien)

United States Naval Observatory (USNO)

National Institute of Standards and Technology (NIST)

Weitere externe Nutzlasten von Columbus

• European Technology Exposure Facility (EuTEF)
• Solar Monitoring Observatory (SMO/SOLAR)

Siehe auch

• Primary Atomic Reference Clock in Space (PARCS)
• Superconducting Microwave Oscillator (SUMO)
• Rubidium Atomic Clock Experiment (RACE)

Literatur

• Luigi Cacciapuoti und Christophe Salomon: Atomic clock ensemble in space. In: Journal of Physics: Conference Series. Band 327, 2011, S. 012049, doi:10.1088/1742-6596/327/1/012049 (englisch). 
• Mauro Augelli: ACES Operations: an ISS External Scientific Payload Looking for Experimental Confirmations on the General Relativity Theory. In: Proceedings of the 14th International Conference on Space Operations (SpaceOps 2016), Daejeon, Korea, May 16-20, 2016. 2016, doi:10.2514/6.2016-2407 (englisch, online [PDF; abgerufen am 13. Januar 2017]). 

Weblinks

• ESA: ISS Utilization: ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) / PHARAO. Abgerufen am 13. Januar 2017 (englisch). 
• Website des ACES Projekts am CNES: ACES. 2. September 2016, abgerufen am 13. Januar 2017 (englisch). 
• ESA: ACES Factsheet. (PDF) Abgerufen am 13. Januar 2017 (englisch). 
• ESA: Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) (Memento vom 16. Oktober 2012 im Internet Archive) (englisch)
• ESA: (ACES) Factsheet (Memento vom 27. Februar 2009 im Internet Archive) (englisch, 4 Seiten, PDF, 1,3 MB)