Pionier-Arbeit für Weltraumexperiment Lisa Pathfinder

Mit der Satellitenmission Lisa Pathfinder will die Europäische Weltraumagentur ESA den Weg für den Nachweis von Gravitationswellen ebnen. Die ausgefeilten Mechanismen sowie elektronische und elektro-optische Baugruppen für den Satelliten, der am 02. Dezember vom Europäischen Weltraumbahnhof Kourou aus ins All gestartet werden soll, kommen aus Österreich.

Gelänge es, Gravitationswellen zu beobachten, würde dies Wissenschaftlern zu einem völlig neuen Blick auf das Universum verhelfen. Schließlich ist die Schwerkraft die einflussreichste Kraft im Universum überhaupt. Sie ist verantwortlich dafür, dass Sterne, Galaxien und Schwarze Löcher entstanden sind – und damit letztlich für die Evolution des Universums insgesamt. Zwar hat Albert Einstein bereits vor fast 100 Jahren die Existenz von Gravitationswellen postuliert, ihr empirischer Nachweis steht jedoch immer noch aus. Sämtliche Experimente, die Wissenschaftler zu diesem Zweck auf der Erde durchgeführt haben, verliefen bisher erfolglos.

Würfel aus Gold und Platin

Lisa Pathfinder soll nun den Weg ebnen, um die Wellen mit einem Experiment im Weltall aufzuspüren. Der Nachweis der Gravitationswellen soll dabei mit Hilfe von Testkörpern geführt werden, die sich physikalisch gesehen im freien Fall befinden. Das bedeutet, die einzige Kraft, der diese Körper ausgesetzt sind, ist die Schwerkraft. Gibt es tatsächlich Gravitationswellen, so müsste sich unter ihrem Einfluss der Abstand zwischen diesen Testkörpern minimal verändern. Der Nachweis der Wellen ist jedoch extrem schwierig. Zum einen muss man den Abstand zwischen den Testobjekten extrem genau messen können, zum anderen muss sichergestellt sein, dass die Objekte sich wirklich im freien Fall befinden und nicht durch andere Kräfte beeinflusst werden, beispielsweise durch den Sonnenwind.

Den eigentlichen Nachweis der Gravitationswellen soll die spätere Mission eLisa führen. Mit dem Lisa Pathfinder sollen jetzt die dafür notwendigen Technologien im Weltraum getestet werden. Lisa Pathfinder soll beweisen, dass es möglich ist, mit einem Laserinterferometer die Distanz zwischen zwei frei schwebenden Testkörpern im All extrem genau zu messen. Im Innern des Satelliten schweben im Abstand von 38 cm zwei je 1,96 kg schwere Würfel aus einer Gold-Platin-Legierung. Dafür, dass die beiden Würfel während des Raketenstarts an ihrem Platz bleiben, sorgt ein Mechanismus von Ruag Space aus Wien. Ein zweiter hoch präziser Mechanismus von Ruag übernimmt die heikle Aufgabe, die Testmassen nach dem Start extrem feinfühlig frei schwebend in ihren Testkammern zu platzieren.

Phasenverschiebung: auf Billionstel Meter genau

Schweben die beiden Würfel erst einmal in ihren Kammern, wird ihr Abstand voneinander von einem hoch genauen Laser-Interferometer ständig überwacht. Dazu bestrahlt dieses Instrument die stark reflektierenden Oberflächen der beiden Würfel mit Laserlicht und misst die Phasenverschiebung der Lichtwellen, die entsteht, wenn sich der Abstand der beiden Testmassen zueinander verändert. So sollen Entfernungsänderungen im Billionstel-Meter-Bereich beobachtet werden können. Ruag Space ist auch an diesem Lasersystem beteiligt: Von Ruag stammt der Laser-Modulator, der dafür sorgt, dass zwei verschiedene Laserstrahlen mit geringfügig unterschiedlichen Wellenlängen generiert werden. Gemeinsam mit der ETH Zürich hat Ruag Space außerdem die Elektronik entwickelt und gebaut, die mit kapazitiven Sensoren die Position der Testmassen misst und regelt.

Auch die Kohlefaserstruktur des Wissenschaftsmoduls stammt von Ruag Space. Ebenso die mehrlagige Thermalisolation sowie die Heizelemente zur Regelung des Temperaturhaushaltes im Inneren des Satelliten. Dazu auch das Separationssystem, welches dafür sorgt, dass der Satellit nach dem Start von der Rakete abgetrennt wird. Auf dem Foto: Der Lisa Pathfinder Laser Modulator (Quelle: RUAG).