GT4ET
Glass Technologies for the Einstein Telescope (2022-2025)
Von Januar 2022 bis Dezember 2025 haben Forschende des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Hannover gemeinsam mit Kolleg*innen des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik (Fraunhofer IOF) erfolgreich am Projekt „Glass Technologies for the Einstein Telescope” (GT4ET) gearbeitet. Sie haben neuartige, miniaturisierte Opto-Mechaniken für das Einstein-Teleskop, den geplanten europäischen Gravitationswellen-Detektor der dritten Generation, entwickelt und neue Methoden für die Leistungsstabilisierung von Lasersystemen erforscht
Neue Technologien für das Einstein-Teleskop
Derzeit bereiten Wissenschaftler*innen neue und noch empfindlichere Gravitationswellen-Observatorien auf der Erde vor, die ab den 2030ern den Betrieb aufnehmen sollen. Diese Detektoren der sogenannten „dritten Generation“ werden einen ähnlichen Frequenzbereich wie die derzeitigen Instrumente erfassen, das jedoch mit bis zu 10-fach höherer Empfindlichkeit. Das europäische Projekt trägt den Namen „Einstein-Teleskop“.
Das AEI Hannover ist seit langem eine führende Institution in der Gravitationswellenforschung, Mit-Initiator des Einstein-Teleskops und an mehreren Bereichen in der Vorbereitung des Einstein-Teleskops beteiligt.
Um die deutlich gesteigerte Empfindlichkeit zu ermöglichen, sind neben größeren Detektoranlagen auch weitere technische Verbesserungen erforderlich. Im Projekt „Glass Technologies for the Einstein Telelscope“ (GT4ET) des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) in Hannover und des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik (Fraunhofer IOF) wurden neue Technologien zur seismischen Isolation und Laserstabilisierung für das Einstein-Teleskop entwickelt.
Highlights der GT4ET-Forschung
Sensorentwicklung für verbesserte seismische Isolation
Die Hauptoptiken der laserinterferometrischen Detektoren (deren Spiegel und Strahlteiler) werden über komplexe mechanische Filteraufbauten von jeglicher Bodenbewegung der Umgebung (seismisches Rauschen) weitestgehend entkoppelt sein. In der Praxis werden die optischen Elemente dafür von mehrstufigen Pendel abgehängt. Diese Mehrfachpendel dämpfen das seismische Rauschen und kommen auch bei derzeitigen Gravitationswellen-Detektoren zum Einsatz.
Um eine aktive Dämpfung zu ermöglichen, müssen die Positionen der einzelnen Massen innerhalb der Pendelaufhängung relativ zu einem Referenzpunkt präzise ermittelt werden. Dafür kommen Trägheitssensoren zum Einsatz, deren Leistung stark von ihrer Masse abhängt. Die modernsten in Gravitationswellen-Detektoren verwendeten Sensoren haben eine Masse von mehreren Kilogramm. Nur mit einem sorgfältig durchdachten Design lassen sich Größe und Gewicht des Sensors ohne Leistungseinbußen verringern.
GT4ET-Forschende haben einen kompakten Trägheitssensor mit einer Masse im Grammbereich entwickelt und in einem Prototyp für Gravitationswellen-Detektoren getestet. Sie haben gezeigt, dass seine Leistung mit der handelsüblicher Sensoren vergleichbar ist, die derzeit in Gravitationswellen-Detektoren verwendet werden und deren Massen im Kilogrammbereich liegen.
Dank seiner geringen Größe, Selbstkalibrierung, inhärenten Vakuumkompatibilität und Plug-and-Play-Funktionalität eignet sich der Sensor ideal für die Integration in eine Vielzahl von Anwendungen. Dazu zählen die komplexen seismischen Isolationssysteme zukünftiger Gravitationswellen-Detektoren wie dem Einstein-Teleskop oder dem Cosmic Explorer.
Laserstabilisierung mit Mikro-Oszillatoren
Die Eigenschaften der in den Gravitationswellen-Detektoren eingesetzten Laser werden aktiv stabilisiert, um ihr Rauschen in Frequenz, Leistung und Strahlgeometrie zu minimieren. Das AEI hat über viele Jahre Erfahrung in der Entwicklung, Stabilisierung, Herstellung und Installation von Lasern in der Gravitationswellen-Interferometrie auf der Erde gesammelt.
Eine neue Methode zur Leistungsstabilisierung von Lasern für Gravitationswellen-Detektoren, die derzeit erforscht wird und bereits erste gute Ergebnisse geliefert hat, ist die Stabilisierung mittels eines Mikro-Oszillators. Das AEI und das IOF haben diese Technologie im Rahmen von GT4ET weiter erforscht und dafür ein konkretes Konzept realisiert.
