28.06.2004

PHYSIKAtomuhr fürs Armband

Eine neuartige Uhr soll GPS-Geräte noch genauer und das Internet noch schneller machen. Klein wie ein Mikrochip geht sie trotzdem jahrtausendelang sekundengenau.
Es ist eine Uhr wie geschaffen zum Vererben: Selbst den Urururenkeln wird sie die exakte Zeit angeben. Erst in der hundertsten Generation geht sie maximal eine Sekunde nach.
Nur knapp eine millionstel Sekunde täglich weicht jene Uhr, deren Prototyp in diesen Tagen fertig gestellt wird, von der korrekten Zeit ab. Und diese Genauigkeit ist noch gar nicht das Erstaunlichste an dem Gerät. Bedeutsamer noch ist seine Größe.
Das Herzstück, eine mit Cäsiumdampf gefüllte Kapsel, ist winzig wie ein Computerchip. "Damit ließe sie sich spielend am Handgelenk tragen", erklärt Svenja Knappe, Mitentwicklerin der atomgetriebenen Miniaturuhr ("Dampfzelluhr").
Die deutsche Physikerin forscht am National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, Colorado, dem obersten Wächter der Zeit in den USA und vergleichbar mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig, wo mehrere Atomuhren dafür sorgen, dass der Menschheit die Zeit nicht davonläuft.
Gewöhnlich haben diese Chronomaten etwa die Ausmaße eines Wohnzimmerschranks. Kleinere Exemplare, wie sie mittlerweile auch kommerziell hergestellt werden, passen in einen Koffer, einige sogar in eine Zigarettenschachtel. "Doch die kosten mehrere tausend Dollar und brauchen außerdem Strom aus der Steckdose", erklärt Knappe, "für den tragbaren Einsatz sind sie einfach untauglich."
Vor allem zwei Ziele verfolgen die Atomphysiker und Metrologen, die an der Verbesserung von Atomuhren forschen. Einerseits wollen sie die Zeit immer präziser messen. Die heute üblichen, so genannten Fontänen-Atomuhren, weichen erst nach rund 30 Millionen Jahren Laufzeit eine Sekunde von der korrekten Zeit ab.
Doch auch das reicht den Forschern noch nicht. Sie arbeiten bereits an einer weitaus präziseren Generation, die in etwa zehn Jahren die Fontänen-Uhren beerben soll. "Optische Atomuhren" heißen sie. Wären diese Modelle zur Zeit des Urknalls losgelaufen, würden sie heute erst eine halbe Sekunde falsch gehen.
Ebenso wichtig aber ist das zweite Ziel, das sich die Forscher vorgenommen haben: die Miniaturisierung. Herkömmliche Atomuhren stoßen an Grenzen, die von physikalischen Gesetzen gezogen werden. Denn um die Zeit zu messen, werden Cäsium-133-Atome mit Mikrowellen bestrahlt, bis sie ihren Energiezustand ändern. Wenn diese Anregungsstrahlung exakt 9 192 631 770-mal Schwingungen vollzogen hat, ist eine Sekunde vergangen.
Das Problem: Die Wellenlänge dieser Mikrowellen misst rund drei Zentimeter. Deshalb lässt sich eine Kammer, in der die Cäsiumatome bestrahlt werden, nicht wesentlich kleiner dimensionieren.
Die Forscher aus Boulder jedoch haben einen Trick ersonnen, wie sie Cäsiumdampf mit einem zweifarbigen Laserstrahl statt mit Mikrowellen anregen können. Und der nimmt wesentlich weniger Raum ein.
Kommt also bald schon die Atomuhr für das Armband, als Prestigeobjekt für Trendbewusste? Der Preis der neuen Technik spricht dafür: Unter 100 Euro könnten die Herstellungskosten für den präzisen Winzling liegen - gering genug für den Einbau in eine Rolex oder Breitling. Die Entwickler indes peilen einen weitaus umsatzstärkeren Markt an: die Navigations- und Telekommunikationsindustrie.
Vom Konsumenten kaum bemerkt, dienen Atomuhren bereits in allerlei Bereichen dazu, sein Leben zu erleichtern. Wenn Daten versendet werden - sei es nun als Lichtblitze durch Glasfaserkabel oder als Funkwellen vom Handy zum Sendemast -, müssen die einzelnen Informationen in eine exakte zeitliche Reihenfolge gebracht werden. Andernfalls wäre heilloses Chaos auf den Datenautobahnen unausweichlich.
Denn nur wenn Sender und Empfänger exakt synchron arbeiten, können sie sich verständigen. "Und je schneller man Daten transferiert, mit desto genauerer Zeitangabe müssen diese versehen werden", erklärt NIST-Physikerin Knappe.
Billige Präzisionsuhren könnten den Informationsaustausch deshalb schneller, effizienter, günstiger und störungsresistenter machen - insbesondere dann, wenn es gelingt, solche Mini-Atomuhren in mobile Geräte wie das Handy einzubauen.
Auch die GPS-Navigation im Auto ließe sich mit integrierter Atomuhr erheblich erleichtern. Sie beruht auf Signalen von Satelliten, die ständig ihre exakte Position zur Erde funken, gekoppelt mit der genauen Zeit, wann sie sich auf dieser Position befunden haben. Das GPS-Gerät ermittelt dann aus der Zeit, die das Satellitensignal bis zur Erde benötigt hat, seinen eigenen Standort. Wer sich jedoch metergenau lokalisieren will, muss nanosekundengenau messen.
Da das Navigationssystem im Auto über keine eigene Präzisionsuhr verfügt, ist es bisher auf das Zeitsignal der GPS-Satelliten angewiesen, in denen Atomuhren ticken. Dafür allerdings benötigt es gleichzeitig Angaben von vier Satelliten. "In Häuserschluchten oder im Wald ist das häufig nicht möglich", erklärt Knappe.
Falls die Autofahrer bald mit bordeigener Atomuhr noch zuverlässiger durch die Großstädte kurven, müssten sie sich beim US-Militär dafür bedanken. Mit 20 Millionen Dollar hat es die Entwicklung der Mini-Präzisionsuhr finanziert, um ein gegen Störsender immunes GPS-System zu entwickeln, wie es offiziell heißt.
Experten jedoch vermuten, dass noch ein weiteres Anwendungsgebiet lockt: Alle bisherigen Uhren, einschließlich der herkömmlichen Atomuhren, reagieren auf Beschleunigungskräfte sehr sensibel.
Nicht so die neue Dampfzelluhr. Und das macht sie wie geschaffen für den Einbau in lenkbare Raketengeschosse.
GERALD TRAUFETTER
Von Gerald Traufetter

DER SPIEGEL 27/2004
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung


DER SPIEGEL 27/2004
Titelbild
Abo-Angebote

Den SPIEGEL lesen oder verschenken und Vorteile sichern!

Jetzt Abo sichern
Ältere SPIEGEL-Ausgaben

Kostenloses Archiv:
Stöbern Sie im kompletten SPIEGEL-Archiv seit
1947 – bis auf die vergangenen zwölf Monate kostenlos für Sie.

Wollen Sie ältere SPIEGEL-Ausgaben bestellen?
Hier erhalten Sie Ausgaben, die älter als drei Jahre sind.

Artikel als PDF
Artikel als PDF ansehen

PHYSIK:
Atomuhr fürs Armband

Video 01:48

Indonesien Orang-Utans werden Opfer von Brandrodungen

  • Video "Stimme aus dem Sarg: Toter spricht auf seiner eigenen Beerdigung" Video 00:00
    Stimme aus dem Sarg: Toter spricht auf seiner eigenen Beerdigung
  • Video "Rituale im britischen Unterhaus: Lady Usher of the Black Rod" Video 01:41
    Rituale im britischen Unterhaus: "Lady Usher of the Black Rod"
  • Video "Englands Trainer nach rassistischen Vorfällen: Wir haben ein Statement abgeliefert" Video 03:19
    Englands Trainer nach rassistischen Vorfällen: "Wir haben ein Statement abgeliefert"
  • Video "Optische Illusionen: Alles höchst verwirrend" Video 01:42
    Optische Illusionen: Alles höchst verwirrend
  • Video "Größer geht nicht: Kreuzfahrtschiff im Kanal von Korinth" Video 00:50
    Größer geht nicht: Kreuzfahrtschiff im Kanal von Korinth
  • Video "Videoanalyse: Kurden schmieden Allianz mit Assad" Video 04:33
    Videoanalyse: Kurden schmieden Allianz mit Assad
  • Video "Proteste gegen Separatisten-Urteil: 50 Verletzte in Barcelona" Video 01:26
    Proteste gegen Separatisten-Urteil: 50 Verletzte in Barcelona
  • Video "Ex-Fußball-Torhüter: Petr Cech wird zum Eishockey-Helden" Video 01:31
    Ex-Fußball-Torhüter: Petr Cech wird zum Eishockey-Helden
  • Video "Wiedereröffnung des britischen Parlaments: Die Queen musste ein Tory-Wahlprogramm vorstellen" Video 03:41
    Wiedereröffnung des britischen Parlaments: "Die Queen musste ein Tory-Wahlprogramm vorstellen"
  • Video "Queen's Speech: Elizabeth II. verliest Johnsons Pläne" Video 01:39
    Queen's Speech: Elizabeth II. verliest Johnsons Pläne
  • Video "Brexit-Angst auf Rügen: Kein Deal, kein Fisch" Video 05:57
    Brexit-Angst auf Rügen: Kein Deal, kein Fisch
  • Video "Hightech-Mode für Gehörlose: Musik fühlen statt hören" Video 01:23
    Hightech-Mode für Gehörlose: Musik fühlen statt hören
  • Video "Umstrittenes Staudammprojekt: Historische Stadt in der Türkei versinkt" Video 04:00
    Umstrittenes Staudammprojekt: Historische Stadt in der Türkei versinkt
  • Video "Wir drehen eine Runde: Elektrisch surfen" Video 07:46
    Wir drehen eine Runde: Elektrisch surfen
  • Video "Indonesien: Orang-Utans werden Opfer von Brandrodungen" Video 01:48
    Indonesien: Orang-Utans werden Opfer von Brandrodungen