Schwebende Magneten messen Schwerkraft

Nanjing (China) - Die Anziehungskraft der Erde lässt sich über die Fallzeit von Objekten oder die Schwingungsdauer eines Pendels absolut bestimmen. Viel genauer messen moderne Gravimeter, die mit schwebenden Kügelchen über einem supraleitenden Ring winzige relative Schwankungen der Schwerebeschleunigung ermitteln. Doch erfordern diese Sensoren für die notwendige Supraleitung eine aufwendige Kühlung. Chinesische Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen entwickelten nun ein neuartiges Gravimeter, dass sogar bei Raumtemperatur kleinste Schwankungen der Schwerkraft messen kann. Wie sie in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ berichten, eignet sich ihre Methode auch für mobile Gravimeter, die sich in Zukunft in einem kleinen Sensorchip integrieren ließen.

Ihr neues Gravimeter bauten Yingchun Leng von der Nanjing University und seine Kolleginnen und Kollegen aus zwei Magneten auf. Diese schirmten sie in einer Vakuumkammer mit einem Mantel aus so genanntem µ-Metall von äußeren Magnetfeldern ab. Ein größerer, im oberen Teil des Sensors positionierter Magnet hält dabei einen kleineren, nur 215 Milligramm schweren unteren Magneten in einem Schwebezustand. Dabei stand die auf den unteren Magneten wirkende Schwerkraft genau mit der Anziehungskraft des oberen Magnetens im Gleichgewicht. Dadurch oszillierte der untere Magnet langsam mit einer Frequenz von einem Hertz, also einmal pro Sekunde.

Je nach Position von Sonne und Mond änderte sich nun die wirksame Schwerkraft. In der Natur verursachen diese zyklischen Variationen die Gezeiten mit Ebbe und Flut. Im neuen Gravimeter änderte sich die Schwingung des schwebenden, unteren Magnetens ebenfalls etwas. Um diese Bewegung exakt zu messen, montierten die Forschenden eine kleine Lasche an den schwebenden Magneten. Auf diese Lasche fokussierten sie über eine Glasfaser den Lichtstrahl eines Lasers. Je nach Schwingung des Magnetens wurde nun der Laserstrahl mehr oder weniger durch die Lasche abgedeckt. Diese Änderungen der Lichtintensität ließen sich mit einem empfindlichen Photodetektor genau messen.

Über diese Messungen des Laserlichts ließ sich sehr gut auf die relative Schwerebeschleunigung schließen. In mehreren Versuchen konnte das Team um Yingchun Leng die zyklischen Schwerkraftänderungen der Gezeiten mit einer sehr hohen Genauigkeit von einem zehnmillionstel Teil der mittleren Schwerebeschlunigung (9,81 m/s2) bestimmen. Mit dieser Präzision könnten Geowissenschaftler beispielsweise die Dynamik von Lavaströmen unter Vulkanen oder auch die Lage von Erdöllagerstätten im Untergrund über Variationen der Schwerkraft einfacher als bisher ermitteln. Leng und seine Arbeitsgruppe halten es auch für möglich, ihr neuartiges Gravimeter noch deutlich schrumpfen zu lassen. So könnte es in Zukunft auch in einen Sensorchip integriert werden, der an Bord von kleinen Drohnen das Schwerefeld einer Region während des Flugs misst.