Ein winziges Gerät kann subtile Verschiebungen im Gravitationsfeld der Erde messen

Es gibt einen neuen Teilnehmer im Wettbewerb um die Entwicklung immer kleinerer Instrumente, die Veränderungen im Gravitationsfeld unseres Planeten erkennen können – ein Tischgerät, das ungefähr die Größe zweier übereinander gestapelter Smartphones hat.

Das von einem Forscherteam in China entwickelte Instrument wurde verwendet Messen Sie die Gezeiten der Erde über mehrere Tage hinweg, berichten der Physiker Pu Huang von der Universität Nanjing und seine Kollegen am 22. März Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Forscher versuchen seit langem, leichte und kostengünstige Instrumente zur Schwerkraftmessung zu bauen. Solche Geräte, sogenannte Gravimeter, können die Verschiebung tektonischer Platten erkennen, die Bewegung von Grundwasser erfassen, verborgene Öl- und Gasreserven aufdecken und Magma in Vulkanen verfolgen, um Daten für die Vorhersage von Ausbrüchen zu liefern, sowie für viele andere Anwendungen.

Dennoch verfügen die meisten Instrumente über genügend Empfindlichkeit für solche Experimente bleiben in Laboren steckenwas sperrige Geräte erfordert, um ein schützendes Vakuum zu erzeugen oder ihre Teile auf extrem niedrige Temperaturen abzukühlen (SN: 07.11.19). Tragbare Gravimeter sind in der Regel äußerst teure Objekte die Größe von Haushaltsgeräten (SN: 28.02.22). Es gibt aber auch weitaus kleinere Exemplare, etwa einen Prototyp dafür ein Gravimeter in Briefmarkengrößegemeldet im Jahr 2016, mit ausreichender Empfindlichkeit für einige grundlegende geophysikalische Anwendungen.

Die Stärke der Schwerkraft zwischen zwei Objekten hängt von ihrer Masse und dem Abstand zwischen ihnen ab. Gravitationsänderungen können daher durch etwas wie ein Gewicht auf einer Feder gemessen werden. Wenn ein solches Gerät näher an den Boden oder weiter vom Boden entfernt oder über abrupte Änderungen in der Dichte des Geländes bewegt wird, ändert sich die Anziehungskraft der Erde auf das Gewicht und die Länge der Feder ändert sich entsprechend geringfügig.

Anstelle eines Gewichts und einer Feder verwendeten Huang und sein Team zwei Magnete, von denen einer vom anderen schweben ließ. Der schwebende Magnet wirkte wie ein Gewicht und bewegte sich als Reaktion auf ein sich veränderndes Gravitationsfeld auf und ab. Die immaterielle Kraft des Magnetismus zwischen den Magneten wirkte ähnlich wie die feste Feder. Ein Laser maß Veränderungen in der Position des schwebenden Magneten und ermöglichte es den Forschern, zu beobachten, wie das Gravitationsfeld der Erde über mehrere Tage hinweg als Reaktion auf die Gezeitenkräfte des Mondes schwankte. Sie entdeckten außerdem zwei Erdbeben, eines vor der Küste von Honshu, Japan, und eines im Bali-Meer in Indonesien.

Das neue Gerät sei nicht ganz so empfindlich wie die besten tragbaren Gravimeter der Welt, bemerkt der Physiker Xuejian Wu von der Rutgers University in Newark, New Jersey, der nicht an der Arbeit beteiligt war. Diese größeren Spitzengeräte können Veränderungen des Gravitationsfeldes von etwa einem Teil zu einer Milliarde erkennen, während dieses Gerät dies bei etwa einem Teil zu 60 Millionen kann.

Laut Huang plant das Team jedoch, die Empfindlichkeit zu erhöhen und gleichzeitig das Gerät noch weiter zu verkleinern. Derzeit stammt der größte Teil davon aus magnetischen Abschirmungen und anderen unterstützenden Geräten. Aber das Herzstück des Instruments – der winzige, schwebende Magnet – ist kleiner als ein Reiskorn und wiegt weniger als zwei Kaffeebohnen. Laut Huang hoffen die Forscher, das gesamte System in den nächsten Jahren in ein Chip-großes Gerät zu integrieren, das für Feldarbeiten auf Drohnen angebracht werden kann.