Quantenbasiertes Gyroskop Präzise Lagesensoren für erdnahe Mini-Satelliten

Ein weltumspannendes, erdnahes Mini-Satelliten-Netz soll mit Quantensensorik ausgestattet werden. Die Satelliten sollen dauerhaft höchstpräzsie mit einem quantenbasierten Gyroskop ausgerichtet bleiben.

Präzise ausrichten: Das geplante quantenbasierte Gyroskop soll eine Alternative zu derzeitigen mechanischen Gyroskopen sein.
Präzise ausrichten: Das geplante quantenbasierte Gyroskop soll eine Alternative zu derzeitigen mechanischen Gyroskopen sein.

Vier Partner, ein Ziel: Das Quantentechnologie-Start-up Q.ANT, Bosch, Trumpf und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wollen einen weltraumtauglichen Lagesensor entwickeln. Die Sensoren auf Bsis der Quantentechnik soll es ermöglichen, Mini-Satelliten präzise auszurichten und damit die weltweite Datenkommunikation zu verbessern. Entstehen soll ein quantenbasiertes Gyroskop (QYRO) und damit eine Alternative zu derzeitigen mechanischen Gyroskopen sein.

Die Partnerschaft soll ein weltumspannendes, erdnahes Mini-Satelliten-Netz unterstützen, das die Internetverbindung insbesondere in abgelegenen Regionen verbessert. Den ersten Mini-Satelliten mit Quantentechnik möchte das DLR in fünf Jahren Richtung Weltall starten.

Quantensensoren bei Satelliten und beim automatisierten Fahren

Quanteneffekte nutzende Lagesensoren lassen sich nicht nur bei Satelliten, sondern auch beim automatisierten Fahren oder bei der Navigation in Innenräumen wie in Fabrik- und Logistikhallen einsetzen. Das Forschungsbudget für das Projekt liegt bei rund 28 Mio. Euro, ein Großteil davon stammt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Mit dem Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik beteiligt sich zudem ein renommiertes Forschungsinstitut für Laserdioden, insbesondere für Anwendungen im Weltraum.

Damit sich Signale zuverlässig von Satelliten zuverlässig übertragen lassen, müssen die Satelliten auf ihrer Umlaufbahn dauerhaft höchstpräzise ausgerichtet sein. Verlieren die Satelliten die richtige Position, schwächen sich die Kommunikationssignale ab.

Hier soll die Quantentechnik helfen, eine langfristige Messstabilität zu garantieren. Quantensensoren eignen sich für den Einsatz in Satelliten besonders, weil sie dauerhaft genaue Messergebnisse liefern können, hohe Leistung auf wenig Raum erbringen, und leicht sind. Damit können nicht nur Satelliten über Jahre hinweg präzise ihre Position halten, sondern unterstützen andere spektroskopische Anwendungen und Atomuhren.

Quantensensoren arbeiten mit Laser. Trumpf entwickelt einen Single-Mode-VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) mit einer Wellenlänge von 795 nm und einer Ausgangsleistung von 10 mW. Das ist zehnmal höher als die Laserleistung, welche die Technologie bisher leisten kann. Mit der VCSEL-Technik ist nicht nur über einen weiten Temperaturbereich stabil, sondern auch robust. Beides Anforderungen für den Einsatz im Weltraum.

Sensorkomponenten präzise und stabil ausrichten

Die Entwicklung europäischer Quantensensoren soll die Unabhängigkeit vom Weltmarkt stärken. Q.ANT leitet die Entwicklungspartnerschaft, entwickelt das Gesamtkonzept des Sensors und ist für die Integration der verschiedenen Komponenten verantwortlich. Dabei liegt der Schwerpunkt auf einer präzisen und stabilen Ausrichtung der Sensorkomponenten untereinander, um die Funktionsfähigkeit im Satelliten zu gewährleisten.

Die Bosch-Forschung entwickelt eine miniaturisierte, weltraumtaugliche Messzelle. Sie ist das Herzstück des Quantensensors und mit einem atomaren Gas befüllt, das mit Laserstrahlen und Magnetfeldern zu einer Kreiselbewegung der Atome angeregt. Die gemessene Drehgeschwindigkeit der Kreiselbewegung ändert sich durch die Drehung des Sensors und gibt damit hochpräzise Rückschlüsse über Lageänderung des Satelliten und ermöglicht damit eine genauere Lagekontrolle.

Das Galileo Kompetenzzentrum im DLR ist für alle weltraumrelevanten Aspekte verantwortlich. Es stellt die Weltraumtauglichkeit sicher und ist für die Implementierung, den Transport und den Betrieb des Satelliten zuständig. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Verbundprojekt QYRO.

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