PuK - Prozesstechnik & Komponenten 2024

Vakuumtechnik

Vakuumtechnik Vakuum-Anlagensystem Auf den Spuren des Urknalls Vakuum-Anlagensystem für die Technologieentwicklung in der Gravitationswellendetektion Prof. Dr. Oliver Gerberding, Jens Grundmann, Dr. René Wutzler, Dr. Artem Basalaev Wie entstand unser Universum? Woraus besteht unser Universum? Und welche Ereignisse traten während des Entstehungsprozesses auf? Diese und weitere Fragen beschäftigen Astronomen und Physiker heute auf der ganzen Welt. Um diese Fragen beantworten zu können, benötigen wir Informationen über die dunklen Objekte in unserem Universum und über die Zeit nahe dem Urknall, vor rund 13,8 Milliarden Jahren. Aber wie kommt man an Informationen über Objekte, die man nicht sehen und somit nicht mit elektromagnetischer Strahlung beobachten kann? Wie soll man nahe am Urknall, in einer Zeit, in der das Universum undurchsichtig war, Objekte und Ereignisse beobachten können? Ein Informationsträger solch „alter“ Informationen sind die so genannten Gravitationswellen. Bereits 1915 beschrieb Albert Einstein in seiner allgemeinen Relativitätstheorie [1] den Einfluss von Masse auf Raum und Zeit, kurz die Raumzeit. Massen krümmen die Raumzeit, was wiederum die Bewegung von Massen beeinflusst, wodurch das Phänomen der Gravitation, also die der Schwerkraft, beschrieben wird. Die Ausbreitung von Raumzeitstörungen, erzeugt durch beschleunigte Massen, bezeichnet man heute als Gravitationswellen und sie erzeugen winzige Abstandsänderungen in großer Entfernung von ihrer Quelle. Einstein entwickelte zwar die Theorie der Existenz dieser Gravitationswellen bereits 1915, vermutete aber zu dieser Zeit, dass wir davon auf der Erde nichts mitbekommen werden. 2015 gelang es Wissenschaftlern dann, genau diese Gravitationswellen zu detektieren [2]. Mit Hilfe des LIGO (Laser-Interferometer Gravitationswellen-Observatorium) in den USA konnte die Kollision zweier Schwarzer Löcher detektiert werden, welche beide ein Vielfaches der Masse unserer Sonne aufwiesen. Diese Kollision ereignete sich in einem Abstand von 1,3 Milliarden Lichtjahren von der Erde, womit ein kosmisches Ereignis beobachtet werden konnte, welches bereits vor 1,3 Milliarden Jahren stattfand. Seitdem konnten mehr als 100 solcher Ereignisse aufgezeichnet werden [3]. Was kann man sich unter Gravitationswellen vorstellen? Als einfachen Vergleich kann man einen großen, stillen See nutzen, in welchen ein Stein geworfen wird. An dem Ort, an dem der Stein die Wasseroberfläche durchstößt, entstehen Wellen. Diese Wellen verlieren mit der Entfernung vom Einschlagort langsam ihre Stärke, so dass am Ufer des Sees die Wellen kaum noch spürbar sind. Überträgt man diese Beobachtung auf den Weltraum, so wäre der See unser Universum und der Stein würde eine Störung der Raumzeit durch eine beschleunigte Masse, z. B. ein sich bewegender Stern oder ein kollabierendes Schwarzes Loch, symbolisieren. Die Auswirkung im Sinne der Gravitationswellen würden wir an unserer Messposition, der Erde als Analogie zum Ufer des Sees, fast nicht bemerken. Denn zusätzlich zum Abstand zu den Ereignissen ist die Raumzeit sehr steif und lässt sich viel weniger in Schwingung versetzen als Wasser. Somit können nur extreme Ereignisse, wie die Verschmelzung Schwarzer Löcher, überhaupt messbare Gravitationswellen erzeugen. Die durch Gravitationswellen hervorgerufenen Abstandsänderungen sind extrem klein. So verändert eine Gravitationswelle, welche durch die Verschmelzung von Schwarzen Löchern innerhalb der Milchstraße erzeugt wird, den Abstand zwischen Sonne und Erde lediglich um den Durchmesser eines Wasserstoffatoms. Zusätzlich bleibt diese Abstandsänderung für viele derzeit beob achtete Objekte nur für Tausendstel einer Sekunde bestehen. Aus diesen winzigen Messgrößen ergeben sich auch besondere Anforderungen an die zu verwendende Messtechnik. Die zentrale Eigenschaft der Speziellen Relativitätstheorie, in der die Lichtgeschwindigkeit für jeden Beobachter konstant ist, wurde mit einem Michelson-Interferometer von Michelson und Morley nachgewiesen. Das Prinzip, das dieser Messapparatur zugrunde liegt, ist die Laser-Interferometrie [4]. Eben solche Laser- Interferometer werden auch für die Detektion von Gravitationswellen verwendet, da sie winzige Abstandänderungen extrem gut vermessen können. Die besondere Herausforderung bei dieser Methode liegt in der L-förmigen Anordnung und möglichst langen, optischen Laufstrecken (so genannten Armen) von infrarotem Laserlicht. Lange Arme vergrößern den Effekt der Gravitationswelle so, dass die Abstandsänderungen noch nachgewiesen werden können. Das Laserlicht wird mittels halbdurchlässiger Spiegel in besagte Arme eingeleitet und an deren Ende durch weitere Spiegel reflektiert, um an ihren Ursprungsort zurückgeleitet zu werden. Dort findet nun eine Überlagerung der Lichtwellen (Interferenz) statt. Interferierende, also sich überlagernde Wellen können sich verstärken, wenn bei gleicher Wellenlänge „Wellenberg auf Wellenberg“ trifft (konstruktive Interferenz). Oder es kommt beim Zusammentreffen von „Wellenberg und Wellental“ zur Auslöschung (destruktive Interferenz). Im Experiment wird das System so eingestellt, dass kein Licht am Ausgang 42 PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN 2024

Vakuumtechnik Vakuum-Anlagensystem mehr sichtbar ist. Wenn eine Gravitationswelle auf die Ebene trifft, in der die Arme des Interferometers liegen, so wird ein Arm (oder beide, je nach Einfallsrichtung) periodisch verkürzt und verlängert. Dies ändert die Bedingung für die optische Überlagerung, also die destruktive Interferenz, was am dunklen Auskopplungsort ein Signal erzeugt. Somit wird die Gravitationswelle sicht- oder besser gesagt hörbar. Auf diesem Prinzip basiert auch LIGO. In den beiden LIGO Standorten in Washington State und Louisiana in den USA sind sehr große Anstrengungen unternommen worden, die hochempfindlichen Spiegel und deren Reflexionseigenschaften nicht durch Schmutz zu beeinträchtigen. Für die Herstellung des notwendigen Vakuums kommen daher ausschließlich trockene, kohlenwasserstofffreie Pumpen zum Einsatz. Die verwendeten Pumpstände bestehen aus trockenen Schraubenpumpen sowie aus magnetgelagerten Turbopumpen. Nur so ist es möglich, den Grenzwert von