Der Einstein-Elevator am Hannover Institut für Technologie (HITec) der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover ist eine weltweit einzigartige Forschungsplattform mit hoher Wiederholrate für erdgebundene Experimente unter Schwerelosigkeit bzw. Mikrogravitation sowie partieller Schwerkraft.
Theorie
BearbeitenDie theoretische Grundlage für den Einstein-Elevator bildet das Äquivalenzprinzip. Dieses besagt, dass ein Beobachter in einem geschlossenen Raum experimentell nicht nachweisen kann, ob sich der Raum im Schwerefeld der Erde mit der Erdbeschleunigung g befindet oder ob der Raum im Weltraum eine Beschleunigung a gleicher Größe erfährt. Ebenso kann der Beobachter nicht nachweisen, ob sich der Raum im Weltraum unter Schwerelosigkeit oder im Schwerefeld der Erde im freien Fall befindet.
Konzept und Aufbau
BearbeitenIn klassischen Falltürmen, wie dem Fallturm Bremen, wird das Experiment in einer großen Vakuumröhre entweder von einer Abwurfeinheit gelöst und fallen gelassen oder durch ein Katapult abgeschossen. Der Einstein-Elevator ist eine Abwandlung des klassischen Fallturms, da nicht die gesamte Turmröhre als Vakuumkammer dient. Stattdessen wird das Vakuum in einer kleinen Vakuumkammer, der sogenannten Gondel, erzeugt, in welche der Experimentträger eingebracht wird. Die Gondel wird durch Linearmotoren vertikal beschleunigt und anschließend in den Parabelflug überführt wird. Während des freien Falls schwebt das Experiment im Gondelinneren losgelöst und befindet sich dadurch in Schwerelosigkeit. Der wesentliche Vorteil ist die deutlich geringere Evakuierungsdauer der Vakuumkammer aufgrund des deutlich geringeren Volumens. Daraus ergibt sich eine sehr hohe Wiederholrate der Experimente von bis zu 100 Versuchen pro Tag.
Konstruktion
BearbeitenDie Turmkonstruktion des Einstein-Elevators besteht aus einem inneren Tragwerk für die Antriebsführung der Linearmotoren und einem äußeren Tragwerk für die Gondelführung, da elektrische Antriebe und Rollenführungen, wie sie beispielsweise in Aufzügen eingesetzt werden, stets Schwingungen erzeugen. Durch die Turm-In-Turm-Konstruktion ist sichergestellt, dass diese Störeinflüsse die Experimente im Gondelinneren nicht beeinflussen.[1] Die Höhe des freien Falls im Einstein-Elevator beträgt 20 m, woraus sich eine Dauer der Schwerelosigkeit bei einem Parabelflug von ca. 4 s ergibt. Die Nutzlast, welche für Experimente zur Verfügung steht, beträgt maximal 1.000 kg bei einem Versuchsträgerdurchmesser von 1,7 m und einer Höhe des experimentellen Aufbaus von 2 m.[2]
Antrieb
BearbeitenFür einen vertikalen Parabelflug des Experiments wird die Gondel zunächst beschleunigt. Damit das Experiment in der Gondel frei schweben kann, wird die Gondel nach der Beschleunigungsphase kurz abgebremst, sodass sich der Experimentträger vom Gondelboden löst. Anschließend beginnt der vertikale Parabelflug, in dem das Experiment eine maximale Restbeschleunigung von 10-6 g[3] erfährt. Um die Gondel mit einer Gesamtmasse von ca. 3.000 kg (inklusive Experiment und bewegte Antriebskomponenten) mit fünffacher Erdbeschleunigung auf ca. 20 m/s zu beschleunigen, werden Linearmotoren eingesetzt. Nach der Beschleunigungsphase gleichen die Antriebe lediglich den Luft- und Rollwiderstand der Gondel und der Gondelführung aus. Abschließend wird die Gondel dem Experiment wieder angenähert und mit Hilfe von Wirbelstrombremsen zum Stillstand gebracht. (Generell den Aufbau detaillierter beschreiben (Koppelstange, Traverse, ...) und evtl. mit Skizze?)
Gebäude
BearbeitenDer Einstein-Elevator ist in einem separaten Gebäudeteil des HITec untergebracht. Das Gebäude des Einstein-Elevators hat eine Höhe von ca. 30 m über Erdniveau und eine Gesamthöhe von ca. 40 m. Das unterste Kellergeschoss liegt ca. 10 m unter Erdniveau. Die Betonhülle des Bauwerkes ist mechanisch vom Rest des HITec-Gebäudes zur Vermeidung des Schwingungseintrags in die sensiblen Labore entkoppelt.
Forschung
BearbeitenDie Forschungsschwerpunkte am HITec liegen in den Bereichen der Quantenphysik, –optik und –sensorik sowie Festkörperphysik und Geodäsie. „Neben Grundlagenforschung im Bereich der Quantentechnologien zielt das Forschungsvorhaben des HITec auf die Entwicklung von neuen Quantentechnologien und die Realisierung von neuen hoch präzisen und empfindlichen Quantensensoren.“[4] Der Einstein-Elevator dient dabei unter anderem der Erprobung dieser neuen Technologien. Denn aufgrund der hohen Wiederholrate von 100 Versuchen pro Tag können mit dem Einstein-Elevator Experimente statistisch/quantitativ durchgeführt werden.
Hintergrund
BearbeitenDas HITec ist ein Forschungsneubau der Leibniz Universität Hannover und soll Ende 2017[5] fertiggestellt werden. Die Räumlichkeiten sind für 100 bis 120 Wissenschaftler der Physik und Geodäsie ausgelegt.
Weitere Großgeräte am HITec
BearbeitenDer Einstein-Elevator ist eines von insgesamt drei Forschungsgroßgeräten am HITec. Die weiteren Großgeräte sind:
- Eine Faserziehanlage zur Entwicklung und Herstellung von strahlungsfesten, weltraumtauglichen Glasfasern. Diese Glasfasern sollen die Erprobung von optischen Uhren und Inertialsensoren ermöglichen.
- Eine Atomfontäne (Very Large Baseline Atom Interferometer) zur Untersuchung der Universalität des freien Falls.[6]
Siehe auch
BearbeitenWeblinks
BearbeitenEinzelnachweise
Bearbeiten- ↑ Lotz, C.; Kämper, T.; Berlin, H.; Overmeyer, L.: Innovative Drive and Guide Concept for Experiments under Microgravity in the Einstein-Elevator In: 1st Symposium on Automated Systems and Technologies (AST), Berichte aus dem ITA Band 4/2014, S. 1-12, Garbsen 2014, ISBN: 978-3-944586-84-7 (online)
- ↑ Der Einstein-Elevator Website des Hannover Institut für Technologie. Abgerufen am 19. Juli 2016.
- ↑ Lotz, C.; Overmeyer, L: Mechanische Ersatzmodelle zum Nachweis der Realisierbarkeit minimaler Restbeschleunigungen während der Freifallphase im Einstein-Elevator In: Logistics Journal Vol. 2013, S. 199-208.
- ↑ Wissenschaftsrat: Empfehlungen zur Förderung von Forschungsbauten (2012), S. 43-47, Köln 2011 (online)
- ↑ Hannoversche Allgemeine Zeitung, 23. Juni 2016, Richtfest für 34-Millionen-Euro-Forschungszentrum.
- ↑ Atomfontäne (VLBAI) Website des Instituts für Quantenoptik. Abgerufen am 25. Juli 2016.
Kategorie:Bauwerk in Hannover Kategorie:Bauwerk aus Beton Kategorie:Vakuumtechnik Kategorie:Gravitation Kategorie:Albert Einstein als Namensgeber Koordinaten: 52° 23′ 16,2″ N, 9° 42′ 42,3″ O