5 Resonator für Schwingungssensoren erstmals vollständig aus Kieselglas »Ein solcher Schwingungssensor besteht aus zwei Kernkomponenten: einem beweglichen Resonator und einem Laser, der die Bewegung des Resonators ausliest«, erklärt Dr. Pascal Birckigt, zuständiger Teilprojektleiter am Fraunhofer IOF in Jena. Der Resonator wurde in Jena gebaut, der Laser in Hannover ergänzt. »Der mechanische Resonator ist der Teil des Sensors, der die Schwingungen aus der Umwelt in eine messbare Bewegung umwandelt, ähnlich wie eine Stimmgabel.« Dabei haben die Forschenden des Fraunhofer IOF etwas geschaffen, das es so bisher noch nie gab: einen filigranen mechanischen Resonator, der aus reinem Kieselglas besteht (>99,8% SiO2). Er vereint zugleich eine geringe Eigenfrequenz von 15 Hertz mit einem hohen Gütefaktor (>100.000) und einer kompakten Baugröße von gerade mal fünf Zentimetern im Durchmesser. »Die Schwingungssensoren sollen künftig in unmittelbarer Umgebung der etwa 200 Kilogramm schweren Spiegel in den Gravitationswellendetektoren des Einstein-Teleskops platziert werden«, erklärt Birckigt weiter. Pro Spiegel wird es drei Sensoren geben. »Die Empfindlichkeit der Sensoren wird dank unserer Resonatoren so hoch sein, dass sie die Wasserwellen im perspektivisch 200 Kilometer vom Standort des Teleskops entfernten Atlantik als Spitzen in den seismischen Spektren deutlich sichtbar machen können.« Komplexe Anforderungen an den Sensor: Glas ist die Lösung Die vollständige Herstellung der Resonatoren aus Glas ergibt sich aus den komplexen Anforderungen an den Sensor: »Im Einstein-Teleskop steht nur wenig Platz für die Sensoren zur Verfügung«, erläutert Birckigt. »Gleichzeitig müssen die Sensoren besonders leistungsstark sein.« Nur mit Glas als Werkstoff ließen sich die Anforderungen an Kompaktheit und niedrige Eigenfrequenz bei gleichzeitig hoher Empfindlichkeit vereinbaren. Grund dafür sind die sogenannten Blattfedern im Inneren des Resonators. Die Blattfedern sind das Herzstück des Resonators. Sie ermöglichen dessen niedrige Eigenfrequenz, also jene Frequenz, bei der das System auf Schwingungen zu reagieren beginnt. Die ist notwendig, denn das Einstein-Teleskop will niedrigfrequente Wellen im Bereich zwischen 3 und 30 Hertz messen. »Damit das gelingen kann, stellen sich technisch zwei Möglichkeiten«, erklärt Birckigt. »Entweder wird im Inneren des Resonators eine große Testmasse verbaut, die auf die äußeren Schwingungen reagiert, oder aber es werden lange, elastisch verformbare Biegebalken, die sogenannten Blattfedern, an die Testmasse angebracht.« Eine große Testmasse kann es aufgrund der geforderten Kompaktheit des Sensors nicht geben. Also blieb nur die Lösung mit den Blattfedern, die die Forschenden aus Glas herstellen: »Glas zeichnet sich als Material durch seine besonders hohe Steifigkeit aus«, erklärt Birckigt. »Es zeigt praktisch keine plastische Verformung. Daher ist es möglich, hauch
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