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Die Atomkernuhr: Ein neuer Maßstab für die Zeitmessung

von Artisan Baumeister · Veröffentlicht 27. März 2025 · Aktualisiert 27. März 2025

Ein Forschungsteam um Thorsten Schumm in Wien hat die weltweit erste Atomkernuhr entwickelt. Sie basiert auf dem Isotop Thorium-229 und ermöglicht eine bisher unerreichte Genauigkeit in der Zeitmessung. Diese Technologie könnte nicht nur die Navigation im Weltraum revolutionieren, sondern auch fundamentale physikalische Konstanten genauer untersuchen.

Inhaltsübersicht

Einleitung
Wie funktioniert die Atomkernuhr?
Warum ist diese Technologie so wichtig?
Was bedeutet das für unsere Zukunft?
Fazit

Einleitung

Was wäre, wenn unsere Messung der Zeit noch exakter wäre als bisher? Eine Wien entwickelte Atomkernuhr macht genau das möglich. Durch die Nutzung von Thorium-229 erreicht sie eine Präzision, die herkömmliche Atomuhren übertrifft. Doch diese Entdeckung hat weit mehr als nur technische Konsequenzen – sie könnte unsere Vorstellung von Zeit grundlegend verändern.

Wie funktioniert die Atomkernuhr?

Ein Quantensprung in der Zeitmessung

Jahrzehntelang galten Cäsium-Atomuhren als das Maß aller Dinge. Sie nutzten die Energiedifferenz zwischen bestimmten Elektronenzuständen, um die Sekunde bis auf einen winzigen Bruchteil genau zu definieren. Doch die Atomkernuhr geht einen entscheidenden Schritt weiter – sie verlässt die Welt der Elektronen und betritt das Reich des Atomkerns, wo völlig neue Möglichkeiten der Zeitmessung entstehen.

Thorium-229: Das perfekte Element

Im Zentrum dieser Innovation steht das Isotop Thorium-229, das eine ganz besondere Eigenschaft besitzt: Es ist das einzige bekannte Nuklid, dessen Kern einen extrem niedrigenergetischen angeregten Zustand besitzt. Während Elektronenübergänge – wie sie in bisherigen Atomuhren genutzt wurden – von Magnetfeldern oder Temperaturänderungen beeinflusst werden können, ist ein Übergang innerhalb des Atomkerns weit weniger störanfällig. Genau diese Stabilität macht Thorium-229 zur idealen Basis für eine völlig neue Qualität der Zeitmessung.

Ein Kernübergang entsteht, wenn ein Atomkern mit einer präzise abgestimmten Energiemenge aus seinem Grundzustand in einen höheren Zustand versetzt wird. Dieser Übergang ist bei Thorium-229 besonders interessant, weil er mit ultraviolettem Licht – statt, wie bei vielen anderen Kernen, mit Röntgen- oder Gammastrahlen – angeregt werden kann. Dies eröffnet die Möglichkeit, mit hochpräzisen Lasern den exakten Übergang aufzuzeichnen und damit eine neue, noch genauere Zeitreferenz zu schaffen.

Von der Theorie zur experimentellen Umsetzung

Die Herausforderung bestand zunächst darin, diesen exotischen Kernübergang von Thorium-229 experimentell nachzuweisen. Forschern gelang dies, indem sie das Isotop aus dem Zerfall von Uran-233 isolierten und seine Strahlungseigenschaften genau untersuchten. Jahrzehntelang blieb die exakte Energiedifferenz des Übergangs nur theoretisch vorhersagbar, bis es schließlich gelang, den Kernübergang im Labor gezielt anzuregen – ein wissenschaftlicher Durchbruch.

Erste Meilensteine auf dem Weg zur Perfektion

Das Projekt zur Entwicklung der ersten funktionierenden Atomkernuhr nahm Fahrt auf, als Physiker der Technischen Universität Wien um Thorsten Schumm eine Methode entwickelten, um Thorium-229 gezielt mit Laserlicht anzuregen. Die größte Herausforderung war es, die exakte Wellenlänge des benötigten Lichts zu bestimmen, um die Kernübergänge zuverlässig auszulösen.

Parallel dazu führten Forscher in München und im europäischen Forschungsverbund nuClock weitere Experimente durch, um die Energie des isomeren Übergangs mit bisher unerreichter Präzision zu messen. Damit wurde die Grundlage für die erste praktische Realisierung dieser neuen Zeitmessmethode geschaffen.

Heute stehen Wissenschaftler kurz davor, eine funktionstüchtige Atomkernuhr zu präsentieren – eine Uhr, die nicht nur stabiler als bisherige Atomuhren ist, sondern potenziell zehnmal genauer. Diese Präzision könnte die Grenzen der modernen Physik verschieben und helfen, bisher unentdeckte Phänomene wie mögliche Variationen fundamentaler Naturkonstanten oder subtile Effekte der Relativitätstheorie mit nie dagewesener Genauigkeit zu untersuchen.

Warum ist diese Technologie so wichtig?

Ein neues Zeitalter der Präzision

Die Atomkernuhr auf Basis von Thorium-229 könnte vieles verändern – von Navigationssystemen über Raumfahrtmissionen bis hin zur Erforschung der fundamentalen Naturgesetze. Ihr Vorteil? Eine bisher unerreichte Stabilität und Genauigkeit. Im Gegensatz zu bisherigen Atomuhren, die Elektronenübergänge in Atomen nutzen, greift diese neue Uhren-Technologie auf den Übergang innerhalb eines Atomkerns zurück. Weil Atomkerne deutlich unempfindlicher gegenüber äußeren Störungen sind, könnte diese Uhr um eine Größenordnung präziser arbeiten als alles, was wir bisher kannten.

Satellitennavigation: Exakter als je zuvor

Für moderne GPS- und Navigationssysteme ist präzise Zeitmessung essenziell. Jede Ortsbestimmung per Satellit hängt davon ab, dass eine exakte Zeitinformation von mehreren Satelliten empfangen und verrechnet wird. Eine Ungenauigkeit von nur einer Nanosekunde kann bei der Positionsbestimmung zu einem Fehler von etwa 30 Zentimetern führen. Die Atomkernuhr könnte diese Unsicherheiten drastisch reduzieren – mit Auswirkungen nicht nur für Navigationsgeräte, sondern auch für autonome Fahrzeuge, militärische Systeme und globale Kommunikationsnetze.

Geodäsie: Die Erde mit neuen Augen sehen

Jede Masse beeinflusst die Raumzeit, und damit auch die Zeitmessung. Hochpräzise Atomkernuhren könnten winzige Veränderungen des Gravitationsfeldes der Erde erfassen – ein enormes Potenzial für die Geodäsie, die Wissenschaft von der Vermessung unseres Planeten. Damit ließen sich tektonische Bewegungen mit bisher unerreichter Genauigkeit überwachen oder Veränderungen des Meeresspiegels mit atomarer Präzision registrieren. Das könnte neue Erkenntnisse über Klimaveränderungen und geophysikalische Prozesse liefern.

Fundamentale Naturkonstanten: Die Suche nach neuen Physikgesetzen

Quantenphysiker arbeiten seit Jahrzehnten daran, herauszufinden, ob Naturkonstanten – wie die Feinstrukturkonstante oder die Masse eines Elektrons – tatsächlich stabil sind oder sich über die Jahrmillionen verändert haben. Die extreme Genauigkeit der Atomkernuhr erlaubt Experimente, mit denen minimalste Abweichungen in diesen Konstanten messbar wären. Das könnte bahnbrechende Erkenntnisse über die Struktur des Universums liefern – oder eine Tür zur Physik jenseits des Standardmodells aufstoßen.

Raumfahrt: Bessere Uhren für ferne Missionen

Unsere Raumsonden verlassen sich auf hochpräzise Borduhren, um sich in den Weiten des Alls zu orientieren. Doch jede heutige Atomuhr leidet unter thermischen Schwankungen, magnetischen Störungen und radioaktiven Einflüssen. Eine Thorium-229-basierte Atomkernuhr wäre robuster und könnte auch in extremen Umgebungen höchste Genauigkeit liefern. Künftige interstellare Missionen, die Jahrzehnte unterwegs sind, könnten so ihre Navigation und autonome Steuerung entscheidend verbessern.

Kein Zweifel: Diese neue Zeitmessungstechnologie könnte wissenschaftliche, technologische und gesellschaftliche Bereiche revolutionieren. Die präzisere Taktung der Zeit könnte sich als einer der wichtigsten Fortschritte der modernen Wissenschaft erweisen.

Was bedeutet das für unsere Zukunft?

Neue Maßstäbe für Navigation und Raumfahrt

Atomkernuhren könnten unsere Navigationssysteme revolutionieren. Heute basieren GPS und andere satellitengestützte Ortungssysteme auf Atomuhren, die in den Satelliten verbaut sind. Doch selbst diese hochpräzisen Geräte weisen winzige Messabweichungen auf, die sich über große Distanzen summieren. Eine Uhr auf Basis von Thorium-229 wäre noch wesentlich genauer und weniger anfällig für Umweltfaktoren wie Magnetfelder oder Temperaturveränderungen. Das könnte nicht nur die Positionierung auf der Erde bis auf den Millimeter perfektionieren, sondern auch völlig neue Möglichkeiten für autonome Fahrzeuge und Drohnennavigation eröffnen.

Besonders in der Raumfahrt würde eine solche Präzision bahnbrechende Vorteile bieten. Die herkömmlichen Methoden zur Navigation jenseits der Erde setzen auf Funkverbindungen zur Erde, mit unvermeidlichen Zeitverzögerungen. Mit einer tragbaren, extrem genauen Atomkernuhr könnte sich ein Raumschiff autonom im interstellaren Raum orientieren – ein entscheidender Schritt für zukünftige Missionen zum Mars oder noch weiter hinaus.

Präzisere Tests fundamentaler physikalischer Theorien

Schon heute nutzen Physiker Atomuhren, um die Grenzen unserer Naturgesetze auszuloten. Doch mit der unvergleichlichen Stabilität einer Atomkernuhr könnten Wissenschaftler noch feinere Effekte untersuchen – etwa minimale Änderungen der Gravitationskonstanten oder die Frage, ob Naturkonstanten wirklich überall und immer gleich sind.

Solche Experimente könnten sogar helfen, ein lange bestehendes Rätsel zu lösen: Gibt es eine Verbindung zwischen Quantenphysik und Relativitätstheorie? Bisher gelingt es Forschern nicht, diese beiden zentralen Theorien der Physik zu vereinen. Atomkernuhren könnten messbare Phänomene liefern, die uns einen Schritt näher an eine “Theorie für alles” bringen.

Was ist Zeit überhaupt?

Je genauer wir messen können, desto mehr geraten wir in eine philosophische Zwickmühle: Ist Zeit etwas Festes, das wir nur immer feiner auflösen? Oder ist der Zeitbegriff selbst eine Konstruktion, die mit jeder neuen Messmethode hinterfragt werden muss?

Letztlich könnte die Atomkernuhr nicht nur zeigen, wie genau wir Zeit messen können, sondern uns auch zwingen, neu zu überdenken, was Zeit eigentlich ist.

Fazit

Die Atomkernuhr aus Wien markiert einen Wendepunkt in der Wissenschaft. Ihre noch nie dagewesene Präzision eröffnet neue Möglichkeiten in der Forschung, von der Quantenphysik bis zur Astronomie. Noch muss die Technik weiterentwickelt werden, doch das Potenzial ist enorm – womöglich wird sie eines Tages unsere gesamte Zeitmessung neu definieren.

Was denkst du – könnte diese Technologie unsere Zukunft prägen? Teile deine Meinung in den Kommentaren!