Atomuhren im All: Das ESA-Experiment ACES auf der ISS

Keine physikalische Größe lässt sich so genau messen wie die Zeit. Die besten Atomuhren würden in Milliarden Jahren nur Sekundenbruchteile falsch gehen. Doch wie vergleicht man solche Uhren über Kontinente hinweg? Und was passiert mit der Zeit, wenn eine Uhr mit fast 28.000 km/h um die Erde rast? Genau das untersucht das ESA-Experiment ACES.

Was ist ACES?

ACES steht für Atomic Clock Ensemble in Space. Die Anlage startete am 21. April 2025 mit einer Falcon-9-Rakete und wurde wenige Tage später mit dem Roboterarm der Raumstation außen am europäischen Labor Columbus montiert, auf der Seite, die zur Erde zeigt.

An Bord sind zwei Uhren:

• PHARAO: eine Cäsium-Atomuhr mit lasergekühlten Atomen, entwickelt von der französischen Raumfahrtagentur CNES. Sie liefert die Genauigkeit.
• Wasserstoffmaser: ein Schweizer Frequenznormal, das auf kurze Zeiträume besonders stabil ist. Es liefert das Taktsignal.

Zusammen bilden beide eine Uhr, die die Vorteile von Langzeitgenauigkeit und Kurzzeitstabilität verbindet.

Warum Schwerelosigkeit Uhren genauer macht

In einer Cäsium-Atomuhr fliegen gekühlte Atome durch einen Mikrowellenresonator. Je länger die Atome dabei mit der Mikrowelle wechselwirken, desto schärfer lässt sich ihre Resonanzfrequenz bestimmen. Auf der Erde begrenzt die Schwerkraft diese Zeit: Die Atome fallen nach kurzer Zeit herunter.

In der Schwerelosigkeit können die Atome dagegen sehr langsam durch die Uhr schweben. Die Resonanz wird dadurch rund zehn- bis dreißigmal schmaler als bei gleicher Bauweise am Boden. Ziel ist eine Genauigkeit von 1 bis 2 × 10⁻¹⁶.

Uhrenvergleich über Kontinente

Eine Uhr allein nützt wenig, entscheidend ist der Vergleich. ACES ist deshalb über eine Mikrowellenverbindung mit Bodenstationen verbunden, unter anderem bei der PTB in Braunschweig, bei SYRTE in Paris, NPL in London, NIST in den USA und NICT in Japan. Zusätzlich messen Laserstationen, etwa im bayerischen Wettzell, die Laufzeit von Lichtimpulsen zur Raumstation.

So lassen sich Atomuhren auf verschiedenen Kontinenten über die ISS miteinander vergleichen, mit einer angestrebten Genauigkeit von etwa 1 × 10⁻¹⁷ nach wenigen Tagen. Das ist ein- bis zweistellig besser als mit heutigen satellitengestützten Verfahren.

Einstein auf dem Prüfstand

Nach Einsteins Relativitätstheorie vergeht die Zeit nicht überall gleich schnell. Zwei Effekte wirken auf die Uhr an Bord der ISS:

• Geschwindigkeit: Bewegte Uhren gehen langsamer. Die ISS umrundet die Erde in rund 90 Minuten.
• Schwerkraft: Uhren in einem schwächeren Schwerefeld gehen schneller. In 400 km Höhe ist die Schwerkraft etwas geringer als am Boden.

Beide Effekte zusammen führen dazu, dass eine Uhr auf der ISS pro Tag rund 25 Mikrosekunden langsamer geht als eine Uhr auf der Erde. ACES soll den Einfluss der Schwerkraft, die sogenannte gravitative Rotverschiebung, mit einer Unsicherheit von wenigen Millionstel messen. Das ist rund 70-mal genauer als beim bisher besten Experiment dieser Art von 1976.

Mehr als Grundlagenforschung

ACES hat auch praktische Ziele:

• Neudefinition der Sekunde: Optische Atomuhren sind heute schon genauer als die Cäsiumuhren, auf denen die Sekunde beruht. Für eine neue Definition müssen sie weltweit vergleichbar sein, und dabei hilft ACES.
• Geodäsie mit Uhren: Weil Uhren im Schwerefeld unterschiedlich schnell gehen, lassen sich mit präzisen Uhrenvergleichen Höhenunterschiede auf der Erde bestimmen. Ziel ist eine Auflösung besser als 10 cm.
• Suche nach neuer Physik: ACES sucht nach Hinweisen darauf, ob sich Naturkonstanten über die Zeit verändern oder ob Dunkle Materie messbare Spuren hinterlässt.

Wie geht es weiter?

Die Mission ist auf 30 Monate ausgelegt: eine sechsmonatige Inbetriebnahme, dann zwei Jahre wissenschaftlicher Betrieb. Die Ergebnisse werden in den kommenden Jahren erwartet. Wir bleiben dran.