Extrem präziser Bewegungssensor ermöglicht Navigation ohne GPS

Für die Navigation wird zukünftig wohl kein Kontakt zu Sa­tel­li­ten­netz­wer­ken wie GPS mehr nötig sein. Forscher haben jetzt einen Durchbruch bei der Entwicklung eines Chips geschafft, der über eine genaue Bewegungs­messung Standorte ermitteln kann.

Lasersystem auf einem Chip

Zum ersten Mal nutzten Wissenschaftler an den Sandia National Laboratories Silizium-Photonik-Mikrochips, um eine Quantenmesstechnik namens Atominterferometrie durchzuführen - eine präzise Methode zur Messung von Beschleunigung. Dieses Ergebnis bringt die Entwicklung eines sogenannten Quantenkompasses, der in GPS-losen Umgebungen für Navigation genutzt werden kann, einen großen Schritt voran.

Das Team präsentierte seine Ergebnisse als Titelgeschichte in der Fachzeitschrift Science Advances und stellte dabei einen neuen leistungsstarken Silizium-Photonik-Modulator vor. Dieser Modulator ist das Herzstück eines Lasersystems, das kompakt genug ist, um auf einem Chip integriert zu werden. Es könnte konventionelle Lasersysteme, die bei solchen Anwendungen bisher die Größe eines Kühlschranks haben, ersetzen.


In der Praxis hat man es in vielen Bereichen damit zu tun, dass die Signale der Navigations-Satelliten nicht verfügbar sind. Das ist beispielsweise in Gebäuden der Fall, aber auch in Krisen- und Kriegs-Gebieten, in denen die entsprechenden Funkfrequenzen oft gestört werden. Die Quantenmesstechnik bietet hier eine Lösung, da sie eine präzise Navigation auch in solchen Gebieten ermöglicht.

Referenz-Standort genügt

Es genügt hierbei, dass ein ursprünglicher Referenz-Standort bekannt ist. Der Sensor kann dann sehr präzise aufgrund von Beschleunigungsdaten ermitteln, wie weit und in welche Richtung er sich bewegt hat. Der aktuelle Standort ist somit jederzeit bekannt. Ein entsprechendes Verfahren kommt bereits bei der Navigation in Gebäuden oder Tunneln zum Einsatz, erreicht aufgrund nicht so präziser Beschleunigungsmesser in Smartphones und anderen Mobilgeräten aber nur eine eingeschränkte Genauigkeit.

Die von den Sandia-Forschern entwickelte Technologie könnte nicht nur für die Navigation genutzt werden, sondern hat auch Potenzial in anderen Bereichen wie der Erkennung von unterirdischen Hohlräumen und Ressourcen, die kleine Veränderungen im Schwerefeld der Erde verursachen, zum Einsatz zu kommen. Zudem könnten die optischen Komponenten, darunter der Modulator, in Technologien wie LIDAR, Quantencomputing und optischer Kommunikation Anwendung finden.

Der Fortschritt in der Miniaturisierung und Kostenreduktion dieser komplexen Technologie könnte dazu führen, dass sie bald in der Praxis eingesetzt wird. Die Forscher arbeiten daran, die Größe, das Gewicht und den Energiebedarf dieser Systeme weiter zu reduzieren, um sie für den breiten Einsatz zu optimieren.

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