Mit reinstem Quarzglas auf Einsteins Spuren

Mit deutscher Spitzentechnologie und den vermutlich weltweit rundesten Objekten aus Quarzglas könnte es gelingen, einige wichtige Vorhersagen aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie in der Praxis zu überprüfen – oder zu widerlegen. Heraeus Quarzglas, ein Tochterunternehmen des weltweit tätigen Edelmetall- und Technologiekonzerns Heraeus Holding GmbH in Hanau, ist mit der Lieferung von hochreinem Quarzglas maßgeblich an dem ehrgeizigen NASA-Projekt „Gravity Probe B“ beteiligt, das nun in seine entscheidende experimentelle Phase getreten ist. Am 20.04.2004 wurde der Forschungssatellit gleichen Namens erfolgreich von der Vandenberg Air Force Base in Südkalifornien auf eine Erdumlaufbahn von 640 Kilometer Höhe gebracht. Dort soll er die nächsten 16 Monate die Erde umkreisen und entscheidende Messdaten sammeln. Wissenschaftler der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA und der Universität Stanford, Kalifornien, wollen damit in der Praxis überprüfen, inwieweit das Raum-Zeit-Gefüge durch die Gegenwart der Erde gekrümmt wird und ob die Erde bei ihrer Rotation Raum und Zeit gewissermaßen mit sich zieht. Mit den Vorbereitungen für das Experiment zur Erforschung der Zusammenhänge von Raum, Zeit und Schwerkraft wurde bereits vor über 40 Jahren begonnen.

Im „Gravity Probe B“-Satelliten steckt spitzentechnologisches Know-how des Technologiekonzerns Heraeus. Denn das Herzstück besteht aus einem rund 53 Zentimeter langen Quarzglasblock, der mit einem Quarzglasteleskop verbunden ist und vier so genannte Gyroskope enthält. Diese mit 10.000 Umdrehungen pro Minute rotierenden, tischtennisballgroßen Kugeln gelten als rundeste Objekte der Welt und bestehen aus dem hochreinen, mit supraleitendem Niob beschichteten Quarzglas Homosil. Nur Heraeus Quarzglas ist mit seiner jahrzehntelangen Erfahrung im Umgang mit Quarzglas in der Lage, ein solch absolut blasenfreies und hochhomogenes Ausgangsprodukt herzustellen. Eine unabhängige Materialprüfung an der Universität von Aberdeen ergab, dass die Vorgaben der Auftraggeber sogar übertroffen wurden.

Spezialauftrag erfüllt: 900 Kilogramm Quarzglas vom Feinsten
Wie die übrigen Quarzglas-Vorprodukte für das Projekt stammen die Gyroskop-Rohlinge aus der Hanauer Schmelze des Unternehmens. Das gesamte Liefervolumen brachte es seinerzeit, ca. 1995, auf ein Materialgewicht von 900 Kilogramm in Form von 3 je 300 kg schweren Herasil 1 Blöcken. „Bei diesem Auftrag sind wir bis an die Grenze des technisch Machbaren gegangen“, erläutert Dr. Ralf Takke, General Manager der Produktlinien „Mikrolithografie“ und „Standardoptik“. „Die sehr hohen Anforderungen an das Material in Bezug auf seine homogene Dichte und die Homogenität seines thermischen Ausdehnungskoeffizienten machten die Herstellung in dieser Größenordnung und den damit verbundenen Messaufwand bei der optischen Qualitätsprüfung zu einer echten Herausforderung.“

Die Heraeus-Experten haben mit diesem Quarzglas vermutlich eines der homogensten Glasprodukte dieser Größe weltweit produziert. Die superreinen High-Tech-Vorformen wurden anschließend von verschiedenen amerikanischen Firmen in jahrelanger Präzisionsarbeit auf Form geschliffen.

Heraeus Quarzglas nutzt regelmäßig solche Spezialaufträge und technologischen Herausforderungen, um das eigene Know-how als Experte für präzise hergestelltes Hochleistungs-Quarzglas immer weiter zu vervollkommnen. „Bei Forschungsprojekten dieser Art und Größe sind wir der richtige Ansprechpartner, da wir unser Material auf spezielle Kundenwünsche optimal zuschneiden können und zuverlässige Prüfergebnisse gleich mitliefern,“ erklärt Ralf Takke.

Die Zusammenarbeit zwischen Heraeus und der NASA hat schon Tradition. Es überrascht daher wenig, dass es Hanauer Quarzglas-Technik schon bis zum Mond geschafft hat. Die legendäre Apollo-11-Mission brachte nicht nur den ersten Mann auf den Erdtrabanten, sondern auch einen Laserreflektor zur genauen Bestimmung der Entfernung Erde-Mond. Dieser Reflektor, der heute noch im Einsatz ist, besteht aus 100 Tripelprismen aus dem Quarzglas Suprasil von Heraeus.

Aufgrund seiner Homogenität, seiner thermischen und mechanischen Stabilität ist Quarzglas auch diesmal das einzige in Frage kommende Material, um bei den Bedingungen des „Gravity-Probe-B“-Experiments so präzise wie möglich messen zu können. Damit das Gyro-Teleskop-Instrument möglichst störungsfrei arbeiten kann, befindet es sich unter Vakuum in einer abgeschirmten Kammer, die von flüssigem Helium als Kühlmittel umgeben ist. Das Messinstrument arbeitet während der gesamten Mission knapp über dem absoluten Nullpunkt bei -271,4 Grad Celsius. So kann bei niedrigsten Temperaturen, niedrigstem Druck, in einem schwachen Magnetfeld und in der Schwerelosigkeit des Weltraums gemessen werden. Immerhin geht es um die genaue Berechnung einer theoretischen Abweichung des Gyroskop-Rotationswinkels von lediglich 42 Milllibogensekunden pro Jahr.

Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG mit Sitz in Hanau und mit Tochter- und Beteiligungsgesellschaften in den USA, Großbritannien, den Niederlanden, Japan, Korea, Taiwan, China sowie Singapur gehört zu den Technologie- und Marktführern für die Herstellung und Verarbeitung von hochreinem Quarzglas für die Halbleiterindustrie, chemische Industrie, Lampenindustrie sowie für die Präzisionsoptik und Lasertechnologie. Heraeus Quarzglas wies 2003 einen Jahresumsatz von 123 Millionen Euro aus und beschäftigte weltweit mehr als 1.170 Mitarbeiter.

Der Edelmetall- und Technologiekonzern Heraeus mit Sitz in Hanau ist ein weltweit tätiges Familienunternehmen in den Bereichen Edelmetalle, Dentalwerkstoffe, Sensoren, Quarzglas und Speziallichtquellen. Mit einem Umsatz von 7,4 Mrd. € und weltweit mehr als 9.200 Mitarbeitern in über 100 Tochter- und Beteiligungsunternehmen gehört Heraeus seit mehr als 150 Jahren zu den führenden Unternehmen in den Bereichen Edelmetalle und Werkstofftechnik.

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