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Club der Weltzeit-„Taktgeber“ bekommt Zuwachs

Neue Caesium-Fontänenuhr in Braunschweig wird 13. „primäre“ Uhr für die Weltzeit UTC

Die Caesium-Fontänenuhren CSF1 und CSF2 in der Uhrenhalle der PTB. © PTB

Zwölf Atomuhren sind die primären Taktgeber der Weltzeit. Drei davon standen bisher schon in Braunschweig bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Jetzt ist dort eine vierte hinzugekommen: die Caesium-Fontänenuhr CSF2. Sie geht in 40 Millionen Jahren nur eine Sekunde falsch.

Die Koordinierte Weltzeit UTC bildet die Grundlage für die im täglichen Leben verwendeten Zonenzeiten. Sie beruht auf einer Atomzeitskala, die von den besten Caesium-Atomuhren der Welt gesteuert wird. Aber auch bei der Navigation (GPS), der Astronomie, der Telekommunikation, der Erdvermessung und in der physikalischen Grundlagenforschung sind exakte Zeittakte von großer Wichtigkeit. Entsprechend wichtig und kompliziert ist die Bestimmung der Weltzeit Übernommen wird sie vom Internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM). Bei der Berechnung von UTC stützt sich das BIPM auf die Mittelung von weltweit rund 300 Atomuhren in über 60 Zeitinstituten.

Zwölf Uhren als Taktgeber

Um zu garantieren, dass die Sekunden von UTC so genau wie möglich der Sekundendefinition des Internationalen Einheitensystems entsprechen, erfolgt eine Steuerung von UTC durch wenige, besonders genaue „primäre“ Caesium-Atomuhren. In den Jahren 2008 bis 2009 bestand dieser vergleichsweise kleine Kreis primärer Uhren aus nur zwölf Caesium-Atomuhren in sieben

Zeitinstituten. Dazu gehörten auch drei primäre Uhren der PTB. In diesem Monat sind jetzt erstmals die Daten einer neu entwickelten vierten primären PTB-Atomuhr mit dem Namen CSF2 für die UTC-Steuerung mitverwendet worden.

Eine Sekunde in 40 Millionen Jahren

Die neue CSF2 gehört zu den so genannten Caesium-Fontänenuhren. Diese modernere und genauere Uhren-Generation geht in 40 Millionen Jahren höchstens um eine Sekunde falsch. In Fontänenuhren werden Caesium-Atome zunächst mit Hilfe von Laserlicht stark abgekühlt und auf diese Weise auf Geschwindigkeiten von Zentimetern pro Sekunde verlangsamt. Die sich dann bildende Wolke aus langsamen Caesium-Atomen wird nach oben beschleunigt, so dass die Atome wie Wassertropfen in einer Fontäne hochfliegen und schließlich nach einer Steighöhe von einem knappen Meter wieder herunterfallen. Während dieses Fluges werden die Atome mit Mikrowellen bestrahlt, um sie in einen anderen energetischen Zustand zu bringen.

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Caesium-Fontänen sind vor allem deshalb genauer als „normale“ Caesium- Strahluhren, weil in ihnen die Atome langsamer sind und so wesentlich mehr Zeit zur Verfügung steht, die entscheidende Eigenschaft der Caesiumatome zu messen, die für die „Zeiterzeugung“ nötig ist: ihre Resonanzfrequenz. Nur wenn die Frequenz der Mikrowellen mit dieser übereinstimmt, wechseln die Atome ihren Zustand. Es sind dann rund neun Milliarden Mikrowellenschwingungen, die ablaufen müssen, bis genau eine Sekunde vergangen ist. So ist es durch das Internationale Einheitensystem definiert.

(Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 30.12.2009 – NPO)

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