Geophysik

Dr. Thorsten Döhring, Geschäftsbereich Optik,
SCHOTT GLAS, Mainz

Erdrotation exakt erforschen

Die Formstabilität der Messanordnung ist entscheidend für den Erfolg des größten und präzisesten Ringlaserkreisels der Welt. Ein Grund „ZERODUR®“ als Basismaterial einzusetzen.

Fundamentalstation Wettzell, 7. Juni 2000. Millimeter für Millimeter lässt der Kran eine 10 Tonnen schwere „ZERODUR®“ Glaskeramikscheibe in das im Rohbau fertiggestellte Tiefenlabor hinab. Der Gigant mit einem Durchmesser von 4,25 Metern und einer Dicke von 25 Zentimetern bildet das Herzstück des Ringlasers „G“, des weltweit größten Geräts seiner Art. Nach mehreren Stunden ruht der „ZERODUR®“ Block endlich acht Meter unter der Erdoberfläche auf seinem Betonfundament, das wiederum 12 Meter tiefer auf stabilem Felsen gründet. „Schon ein komisches Gefühl”, urteilt Dr. Ulrich Schreiber von der Technischen Universität München, „wenn das ganze Experiment am Haken in der Schwebe hängt.” Auftraggeber eben jenes Experiments im geodätischen Observatorium Wettzell ist das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) Frankfurt/Main, gemeinsam mit der Forschungseinrichtung Satellitengeodäsie (FESG) der TU München. Das ehrgeizige Ziel: Kurzfristige Schwankungen der Erdrotation nachzuweisen.

Bisherige Verfahren beruhen darauf, die Rotation der Erde mit Radioteleskopen relativ zu Objekten wie entfernten Radiosternen oder Quasaren zu ermitteln. Das raumfeste Bezugssystem der Quasare lässt sich anhand dieser Messungen mit Bezugssystemen auf der sich drehenden Erde verknüpfen – beispielsweise für satellitengestützte Navigationssysteme wie dem „Global Positioning System” (GPS) eine wichtige Information. Doch diese Messungen sind relativ aufwendig und nur im Verbund mit mehreren Radioteleskopen an verschiedenen Stellen auf der Erde auszuführen. Von daher sind unabhängige Alternativverfahren bedeutsam.

Ringlaser sind eine solche Alternative – allerdings nicht in der Variante, wie sie seit langem als Kompasssystem für Flugzeuge in Gebrauch ist. Diese Laserkreisel müssen in ihrer Empfindlichkeit um mehr als das Tausendfache gesteigert werden. Die Realisierung des Messprinzips und die technischen Voraussetzungen wurden in einer Projektstudie untersucht, gemeinsam durchgeführt vom BKG, der TU München und der University of Canterbury/Neuseeland. Hierzu wurde ein 1 Quadratmeter großer Prototyp bei der Firma Carl Zeiss unter Verwendung eines „ZERODUR®“ Monolithen von SCHOTT hergestellt und 1997 in einem unterirdischen Labor in Neuseeland installiert und erprobt.

„ZERODUR®“ als Material der Wahl

Zu diesem Zeitpunkt waren die Würfel für einen noch größeren Ringlaser bereits gefallen. 1998 hatte Carl Zeiss in Oberkochen vom BKG grünes Licht zum Bau des Großringlasers „G“ erhalten – wieder auf Basis eines „ZERODUR®“ Blocks von SCHOTT. Warum nun aber ausgerechnet dieser Werkstoff? Um den geringfügigen Gangunterschied der Laserstrahlen nachzuweisen, darf sich die eigentliche Messanordnung und damit der Strahlengang des Laserlichts nicht verändern. „ZERODUR®“ mit seiner Eigenschaft, sich bei Temperaturschwankungen praktisch nicht auszudehnen, erschien uns unter mehreren Kandidaten als erfolgversprechendstes Basismaterial“, argumentiert Dr. Ulrich Schreiber. Dennoch sollte bei dem 4,25 Meter großen Monolithen für den Wettzeller Ringlaser die Ausdehnung bei Temperaturschwankungen noch geringer sein als bei dem Prototypen.

Das war 1992 noch nicht absehbar, als der ursprünglich 20 Tonnen schwere Glaskeramik-Block – der jetzt als Grundstock für den Ringlaser dienen sollte – bei SCHOTT als Spiegelträger für die Astronomie gegossen wurde. Doppelte Umsicht und Vorbereitung bei jedem Fertigungsschritt waren deshalb gefragt. Die Rohscheibe wurde zunächst in zwei Hälften geschnitten – eine Prozedur von einer Woche – und unter ständigen Qualitätsmessungen in seine jetzige Form gebracht. Um die Temperaturausdehnung auf ein Fünftel des bisherigen „ZERODUR®“ Werts zu bringen, erhielt der Rohling eine zusätzliche Wärmebehandlung – Nachkeramisierung genannt – die drei Monate in Anspruch nahm. Als Resultat dieser Behandlung dehnt sich der Block jetzt bei Temperaturschwankungen um ein Kelvin lediglich noch um 60 Milliardstel Meter aus.