Atomuhr – Funktionsweise, Arten und Anwendungsgebiete

  1. Startseite
  2. Atomuhr – Funktionsweise, Arten und Anwendungsgebiete

Atomuhren sind die genausten Uhren die es zur Zeit gibt. Atomuhren nutzen die charakteristische Frequenz von Strahlungsübergängen der Elektronen in freien Atomen.

Weltweit gibt es über 260 Atomuhren in 60 Instituten, wobei das BIPM in Paris die internationale Atomzeit (TAI) als Referenzzeit festlegt. Die Atomuhren in Deutschland werden vom PTB in Braunschweig betrieben.

Funkuhren haben immer die genaue Uhrzeit parat, da sie mittels Langwelle mit dem jeweilen Zeitzeichensender synchronisieren.

Passende Funkuhr suchen

Funktionsweise von Atomuhren

Eine Atomuhr funktioniert grundsätzlich ähnlich wie eine normale Armbanduhr. Sie alle funktionieren auf der Grundlage eines Taktgebers sowie eines Zählerwerks. Je konstanter die Schwingung des Taktgebers ist, umso genauer kann die Zeit angegeben werden. Die genauesten Atomuhren nutzen als Taktgeber Cäsium-Atome, Räderuhren ein Pendel, Quarzuhren einen Quarz und mechanische Uhren die Unruh.

Die Cäsium-Atome absorbieren oder strahlen bestimmte Frequenzen elektromagnetischer Wellen bei dem Übergang von zwei Energiezuständen ab. Die Atome sind einem elektromagnetischem Wechselfeld ausgesetzt, das von einem temperaturkompensiertem Quarzoszillator erzeugt wird. Die Atome absorbieren bei einer speziellen Frequenz besonders viel Energie, die sie dann in eine andere Richtung abstrahlen. Um den Frequenzbereich des Quarzoszillators extrem stabil zu halten, wird diese Resonanz mittels einer Regelschleife verwendet. Wenn die Frequenz abweicht, wird es erkannt und sie wird entsprechend angepasst.

Arten von Atomuhren

Die gebräuchlichsten Atome, mit denen die Atomuhren betrieben werden sind Wasserstoff, Rubidium, Cäsium und neuerdings auch Strontium. Neben ihnen werden auch Moleküle oder andere Atome verwendet. Atomuhren mit Ammoniak haben eine relative Standardabweichung von 10-8, Atomuhren mit Cäsium eine Abweichung von 10-13, welche mit Rubidium eine Standardabweichung von 10-15 und solche mit Wasserstoffatomen ebenfalls 10-15. Strontium wird für die Entwicklung der optischen Atomuhr genutzt und hat eine Abweichung von 10-17.

Cäsium-Fontäne

In modernen Atomuhren werden thermisch abgebremste Atome genutzt, um die Genauigkeit noch weiter zu erhöhen. Die Cäsium-Atome werden in den Cäsium-Fontänen so stark abgekühlt, dass sie nur noch ca. 1 cm / 1 Sek. schnell sind. Der Ausdruck Cäsium-Fontäne wird verwendet, da die verlangsamten Atome mit einem Laser nach oben getrieben werden und eine ballistische Flugbahn durchlaufen. Die effektive Dauer der Wechselwirkung der Atome kann dadurch mit den eingestrahlten Mikrowellen verlängert werden und somit ist eine Frequenzbestimmung gegeben, die noch exakter ist. 1999 lag die Standardabweichung der NIST-F1 Cäsium-Fontäne bei ca. 10-15 und hatte damit eine Abweichung von 1 Sekunde pro 20 Millionen Jahre.

Optische Atomuhr

Je höher der Frequenzbereich einer atomaren Resonanz ist, desto genauer ist eine Atomuhr. Die beim Cäsium genutzte Mikrowellenstrahlung hat eine niedrigere Frequenz als sichtbares Licht. Eine Atomuhr, die mit optischer Resonanz arbeitet, kann daher viel genauer sein. Zu Zeit wird deshalb an der Realisierung einer solchen optischen Atomuhr gearbeitet, um höhere Genauigkeiten aufzuweisen, als mit den Cäsium Uhren.

Ehemalige Caesium-Atomuhr „CS 4“ der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig

Ehemalige Caesium-Atomuhr „CS 4“ der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig von Brunswyk (CC BY-SA 3.0 de) via Wikimedia Commons

Kleinformatige Atomuhren

Neben den hochpräzisen Atomuhren gibt es auch kleinformatige Atomuhren, dessen Bau kleiner, preiswerter und leichter ist. Die kleinen Atomuhren sind sehr lange haltbar. Sie finden zum Beispiel Einsatz in Satelliten, um die Genauigkeit der Positionierung zu erhöhen. 2003 gelang der Bau einer Rubidium-Atomuhr, die ein Volumen von 40 cm³ hat und eine elektrische Leistung von nur 1 Watt aufnimmt. Die Standardabweichung dieser Uhr liegt bei 3·10−12 und sie weicht somit 1 Sekunde in 10.000 Jahren ab.

Atomuhr Deutschland

In Deutschland sind 4 Atomuhren in Braunschweig in der PTB (Physikalisch Technischen Bundesanstalt) in Betrieb. 2 von den 4 Atomuhren sind Cäsium-Fontäne-Uhren. Die Cäsium-Uhr CS2 liefert seit 1991 den Zeitstandard für die Sekunden der gesetzlichen festgelegten Zeit. Die Atomuhr CS1 wurde 1969 in Betrieb genommen. 1978 wurde durch das Zeitgesetz die gesetzliche Zeitbestimmung an die Atomuhr CS1 übergeben. Im Jahr 1985 wurde die Cäsium-Atomuhr CS2 in Betrieb genommen. Diese ist seit 1991 für die gesetzliche Zeitbestimmung verantwortlich. Das Signal wird über ein Glasfaserkabel nach Mainhausen transportiert und synchronisiert dort drei weniger präzise Atomuhren.

Funkuhren können das über den Zeitzeichensender DCF77 die genaue Uhrzeit empfangen. Über des NTP (Network Time Protocol) kann jeder Computer die Uhrzeit empfangen.

Atomuhren im PTB in Braunschweig

Atomuhren im PTB in Braunschweig

Aus deren Takt wird ein Signal erzeugt, das Funkuhren über den Zeichensender DCF77 mit der Frequenz 77,5 kHz empfangen. Der Langwellensender hat eine Reichweite von etwa 2.000 Kilometern und sendet ein Datenpaket, in dem die Zeit kodiert ist. Diese Zeit ist auch im Netz über NTP aufrufbar. Die Physikalisch Technische Bundesanstalt gehört damit zu den wichtigsten internationalen Adressen in der Welt der Metrologie. Die PTB ist als nationales Metrologie-Institut Deutschlands, oberste Instanz bei Fragen zum zuverlässigen und richtigen Messen.

Atomuhr Braunschweig

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das Metrologie-Institut in Deutschland. Es erfüllt wissenschaftlich-technische Dienstleistungen und ist eine eigene Bundebehörde. Das PTB ist dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unterstellt.

Das PTB zählt zu den weltweit führenden Metrologie-Instituten und ist bei allen Mess-Fragen die richtige Anlaufstelle. Im Einheiten- und Zeitgesetz von 2008 sind alle Aufgaben des PTB festgeschrieben. Das PTB hat rund 1.800 Mitarbeiter und ein Budget von knapp 200 Millionen Euro.

Die Verbreitung der gesetzlichen Zeit in Deutschland ist eine der Hauptaufgaben des PTB. Dazu betreibt das Institut zwei Caesium-Uhren und zwei Caesium-Fontänen. Die vier Atomuhren in Braunschweig übertragen das Zeitsignal mit dem Zeitzeichensender DCF77.

Atomuhr Schweiz

In der Schweiz sind das Bundesamt für Metrologie (METAS) und das Labor für Zeit und Frequenz für die schweizerische Atomzeit zuständig. Beide Organisationen betreiben mehrere Atomuhren, mit der die Schweizer Atomzeit TAI(CH) geführt wird.

Die Schweiz hat einen eigenen Zeitzeichensender HBG, der ebenfalls von der METAS geführt wird. Der Langwellensender ist am Genfersee beheimatet und strahlt die gesetzliche schweizerische Zeit aus.

Seit 1. Januar 2001 ist der HBG-Code mit dem deutschen Sender DCF77 kompatibel ud kann natürlich auch uneingeschränkt und kostenlos genutzt werden.

Die Caesium-Fontäne im Metas in der Schweiz

Die Caesium-Fontäne im Metas in der Schweiz

Anwendungsgebiete für Atomuhren

Atomuhren sind höchst präzise, und werden daher in Satelliten für GPS oder Galileo eingesetzt. Je genauer die Zeit, umso höher ist die Genauigkeit der Positionierung. Rubidium-Atomuhren können platzsparend hergestellt werden, und benötigen relativ wenig Energie.

2011 wurde die tragbare Atomuhr CSAC (Chip Scale Atomic Clock) vom NIST (National Institute of Standards, USA) präsentiert. Die Uhr hat ein Volumen von 17 cm3 und ist für 1.500 $ erhältlich.

Tragbare Atomuhr Chip Scale Atomic Clock (CSAC) vom NIST

Tragbare Atomuhr Chip Scale Atomic Clock (CSAC) vom NIST

Geschichte und Entwicklung von Atomuhren

Der Physiker Isidor Isaac Rabi führte in den 1930er Jahren Forschungen im Bereich der Magnetresonanz durch. Er erhielt 1944 dafür den Physik-Nobelpreis mit der Begründung “für die Resonanzmethode zur Aufzeichnung der magnetischen Eigenschaften von Atomkernen”. Er war es auch, der 1945 vorschlug eine Atomuhr zu bauen. Ein Jahr später wurde von Willard Frank Libby die erste Atomuhr vorgestellt.

Der amerikanische Physiker Norman Ramsey verbesserte die Messtechnik und Genauigkeit der Atomuhren und erhielt dafür ebenfalls einen Physik-Nobelpreis (1989).

Präzise Atomuhren mit Cäsium

1952 wurde die Atomuhr im National Bureau of Standards (NBS) in den USA auf die wesentlich genaueren Cäsiumatome umgestellt. 1955 wurde eine noch genauere Caesiumuhr in Großbritannien präsentiert. Die Atomzeit ist so genau, dass sie international der Standard für die Sekunde ist.

Definition einer Sekunde im internationalen Einheitensystem:

[…] das 9.192.631.770fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung.

Damit kann eine Sekunde bis zur 15. Stelle hinter dem Komma genau angezeigt werden.

Weitere Atomuhren und Caesium-Fontäne

Atomuhren senden, wie irrtümlicherweise vielleicht vermutet, keine radioaktive Strahlung aus. Es werden Atome verwendet, die ein möglicht hohe Arbeitsfrequenz aufweisen, und dadurch äußerst berechenbar sind. Neben Cäsium wird auch Rubidium und Wasserstoff verwendet.

Neuere Atomuhren arbeiten mit thermisch abgebremsten Atomen und nennen sich Caesium-Fontäne. Die Atome sind dann extrem langsam und werden mit einem Laser wieder beschleunigt. Die Atome durchlaufen eine ballistische Flugkurve und sind länger den Mikrowellen ausgesetzt. Dadurch können die exakten Frequenzen genauer bestimmt werden. Eine Caesium-Fontäne geht hat eine Abweichung von einer Sekunde alle 30 Millionen Jahre.

Optische Uhr – Noch genauer

Je höher eine Frequenz ist umso größer ist auch die Resonanz. Sichtbares Licht hat eine etwa 50.000-fach höhere Frequenz als Caesium. Eine optische Uhr, die mit optischer Resonanz arbeitet, kann daher noch wesentlich genauer sein.

Im Februar 2008 wurde in Boulder (Colorado, USA) eine optische Atomuhr präsentiert, die mit Strontium-Atomen arbeitet. 2013 konnte die Genauigkeit der Uhr der optischen Atomuhr auf 10-18 verbessert werden. Inzwischen gibt es in sieben Länder eine optische Atomuhr.

Atomuhren, die mit 87Strontium betrieben werden, sind inzwischen die genausten Uhren.

Funkuhren nutzen Atomuhren

Funkuhren sind Quarzuhren, die ein Zeitsignal per Funk empfangen können. Das Signal wird von einem Zeitzeichensender einer Atomuhr ausgestrahlt und die Funkuhr kann mit den Informationen die interne Zeit nachregulieren. Meistens erscheint die Uhrzeit auf Funkuhren auf Flüssigkristallanzeigen und sie wird oft mit dem Datum und weiteren Angaben und Funktionen erweitert.

Das Zeitsignal wird in den meisten Ländern Europas vom Zeitsender DCF77 aus Deutschland empfangen, in England wird der MSF genutzt und in Frankreich der Sender Allouis. Die Funkuhren benutzten eine Ferritstabantenne, um das Signal zu empfangen. Die Ferritantennen haben eine Richt- und Polarisationswirkung, die horizontal zur Richtung zum Sender zu orientieren ist. Wird dies nicht beachtet, reicht die Signalstärke evtl. nicht aus, um eine richtige Synchronisierung zu bewirken. Das Zeitsignal wird zwar kontinuierlich gesendet, doch die meisten Funkuhren fragen diese aber aus Stromspargründen nur Stündlich oder einmal pro Tag ab.

Die Hauptuhren der deutschen Bahnhöfe werden jede Minute mit dem Funkzeichen synchronisiert. Bei einer Störung des Signals oder Orten außerhalb der Zeitsignal-Empfangsbereiche laufen Funkuhren wie übliche Quarzuhren und der Gangfehler oder auch Uhrgang macht sich bemerkbar. Wird das Signal wieder empfangen, dann wird die Uhr direkt nachgestellt und zeigt die internationale Atomzeit an. Aufgrund der internen Verarbeitungsgeschwindigkeit der Elektronik und den schmalbandigen Empfänger wird die Uhrzeit meistens mit einer Verspätung von etwa 0,1 bis 0,4 Sekunden angezeigt.

Funkuhren für Herren

Bei Quarzuhren ist eine Gangabweichung von 30 Sekunden im Monat bereits eine gute Leistung. Bei mechanischen Automatikuhren bewegt sich die Gang-Abweichung bereits im Minutenbereich. Eine Funkuhr hingegen geht immer auf die Sekunde genau und muss nie manuell nachgestellt werden.

Funkuhren sind mit einem Quarzuhrwerk und einem kleinen Signalempfänger ausgestattet. Über das empfangene Funksignal – in Europa das DCF77 – wird mindestens 1 mal täglich die Uhrzeit synchronisiert.

Moderne Multifrequenz-Funkuhren synchronisieren in 3 bzw. sogar 4 Regionen: Europa, Japan, USA und China. Hochwertige Herren-Funkuhren werden von den Marken Casio (Wave Ceptor), Citizen (Citizen Promaster), Junghans und Seiko angeboten.

Funkuhr Online

Die Atomuhr überträgt die aktuelle Uhrzeit nicht nur über DCF77, sondern auch über das NTP. Dadurch ist die genaue Uhrzeit auch jederzeit im Internet verfügbar. Das Network Time Protocol ist der internationale Standard zur Synchronisierung von Uhren in Computersystemen. Jeder Computer kann die Protokol kostenlos nutzen.

Auch die Atomzeit im Internet wird über das NTP (Network Time Protocol) frei für jedermann übertragen. Auf der rechten Seite in der Sidebar siehst du die aktuelle Atomzeit.

1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (4 Stimmen, Bewertung: 5,00 von 5)
Loading...

Letzte Aktualisierung am 23.04.2024 / Affiliate Links / Bilder von der Amazon Product Advertising API