(Artur Debat/Getty Images) Wissenschaftler könnten viel mehr darüber herausfinden, was unter der Erde liegt, wenn unser Planet aufgeschnitten und als Querschnitt betrachtet werden könnte – aber da das nicht wirklich möglich ist, müssen sie stattdessen auf eine Vielzahl anderer Methoden zurückgreifen.
Ein neuer Ansatz hat sich gerade in der Praxis bewährt: Ein kürzlich entwickeltes Gerät namens Quantengravitationsgradiometer wurde erfolgreich eingesetzt, um einen Tunnel zu entdecken, der einen Meter (etwas mehr als 3 Fuß) unter der Erde vergraben liegt.
Typische Schwerkraftsensoren funktionieren durch den Vergleich geringfügiger Positionsunterschiede identischer Lichtwellen. Dies funktioniert gut für große Strukturen, aber bei kleineren versteckten Objekten wird es durch das Wackeln und Zittern des Bodens, der Ausrüstung und sogar zufällige thermische Vibrationen zunehmend schwieriger, Details zu erkennen.
Ein Quantengravitationssensor fügt einen Filter hinzu, der sich die wellenartige Natur von Atomen in frei fallenden, ultrakalten Wolken zunutze macht und so die Auflösung des Sensors radikal verbessert. Die kaum wahrnehmbaren Unterschiede in der Wirkung der Schwerkraft auf diese Atome offenbaren die Zusammensetzung des darunter liegenden Bodens und machen Lücken im Boden wie Tunnel deutlich.
Der Versuchsaufbau. (Stray et al, Nature 2022)
„Dies ist ein ‚Edison-Moment‘ in der Wahrnehmung, der die Gesellschaft, das menschliche Verständnis und die Wirtschaft verändern wird.“ sagt der Physiker Kai Bongs , von der University of Birmingham im Vereinigten Königreich.
„Mit diesem Durchbruch haben wir das Potenzial, uns beim Erkunden, Bauen und Reparieren nicht mehr auf schlechte Aufzeichnungen und Glück zu verlassen.“ Darüber hinaus ist eine unterirdische Karte dessen, was derzeit unsichtbar ist, nun einen großen Schritt näher gekommen und beendet die Situation, in der wir mehr über die Antarktis wissen als das, was ein paar Meter unter unseren Straßen liegt.“
Bei dem neuen Instrument handelt es sich um eine Art Atominterferometer – Geräte, die seit mehr als 20 Jahren entwickelt werden. Die Herausforderung bestand darin, sie in eine Größe und Form zu bringen, die es ermöglicht, sie praktisch im Freien einzusetzen.
Nachdem das Quantengravitationsgradiometer nun seinen ersten realen Test außerhalb des Labors bestanden hat, bietet es viel Potenzial für den Einsatz in jedem Szenario, in dem wir wissen müssen, was unter der Erde liegt.
Das könnte zum Beispiel darin bestehen, den Grundstein für ein neues U-Bahn-System zu legen oder einen Vulkanausbruch vorherzusagen. Das neue Instrument ist günstiger, schneller und umfassender als viele derzeit verfügbare Alternativen und soll zudem zuverlässiger in der Kartierung sein.
Insbesondere zeichnet sich der Sensor dadurch aus, dass er Störungen durch Vibrationen, Temperaturschwankungen und Verschiebungen in Magnetfeldern ausschaltet – alles Faktoren, die es für Geräte schwierig machen können, herauszufinden, was sich unter der Erde befindet.
„Die Erkennung von Bodenverhältnissen wie Minenbauwerken, Tunneln und instabilem Boden ist für unsere Fähigkeit, Wohnraum, Industrie und Infrastruktur zu entwerfen, zu bauen und zu unterhalten, von grundlegender Bedeutung.“ sagt der Geophysiker George Tuckwell , von der Universität Birmingham.
„Die verbesserte Leistungsfähigkeit dieser neuen Technologie könnte die Art und Weise verändern, wie wir den Boden kartieren und diese Projekte durchführen.“
Während dieses „neue Fenster in den Untergrund“ in Betrieb ist, gibt es noch einige Einschränkungen hinsichtlich der Größe und Tiefe der erkennbaren Strukturen und wie unterschiedlich die Dichte einer Struktur von der ihrer Umgebung sein muss.
Die Entwicklung des Geräts wird fortgesetzt und die Forscher sind zuversichtlich, dass es in Zukunft tragbarer und benutzerfreundlicher gemacht werden kann. Mit weiteren Untersuchungen könnte er bis zu 100-mal empfindlicher werden, sagt das Team hinter dem Sensor.
„Es wird erwartet, dass eine solche Leistung in praktischen Instrumenten innerhalb der nächsten 5–10 Jahre erreicht wird“, schreiben die Forscher in ihrem veröffentlichtes Papier .
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .