Erdschwankung im Weltraum mit einem Ringlaser vom Boden aus gemessen

Raum

Redaktion der Website für technologische Innovationen – 22. September 2025

Ringlaser am Geodätischen Observatorium Wettzell in Deutschland. [Bild: Astrid Eckert/TUM]

Ringlaser

Die Erde rotiert, während sie sich durch den Weltraum bewegt, als befände sie sich auf einer leicht geneigten Achse von Pol zu Pol. Da es jedoch keine Achse gibt, taumelt unser Planet leicht. Um diese Taumelbewegungen zu messen, sind üblicherweise komplexe radioastronomische Geräte erforderlich.

Nun ist es deutschen Forschern erstmals gelungen, diese Schwankungen der Erdachse mit einer völlig neuen Methode vollständig lokal und am Boden mit einem Ringlaser zu messen.

„Wir haben große Fortschritte bei der Vermessung der Erde gemacht. Was unser Ringlaser leistet, ist weltweit einzigartig. Wir sind 100-mal genauer als es bisher mit Gyroskopen oder anderen Ringlasern möglich war. Die präzise Messung von Fluktuationen hilft uns, das System Erde besser zu verstehen und hochpräzise zu modellieren“, sagte Ulrich Schreiber von der Technischen Universität München.

Neben der Bestätigung der Messfähigkeit der neuen Methode lieferte das 250-tägige Experiment Informationen, die eine zehnfache Steigerung der Genauigkeit und Stabilität von Ringlasermessungen im Vergleich zu diesem Proof-of-Concept ermöglichen.

Damit wird es sogar möglich sein, die durch die Erdrotation verursachte Verzerrung der Raumzeit zu messen, ein direkter Test der Relativitätstheorie. So lässt sich beispielsweise der Lense-Thirring-Effekt – die „Verzerrung“ des Raums durch die Erdrotation – direkt von der Erdoberfläche aus testen, ohne dass Weltraumtechnologie erforderlich wäre.

Einfluss der Erdpräzession und -nutation auf Ringlaserbeobachtungen. [Bild: K. Ulrich Schreiber et al. - 10.1126/sciadv.adx6634]

Präzession und Nutation

Die Erdachse ist verschiedenen Kräften ausgesetzt, die zu unterschiedlich starker Taumelbewegung der Erdachse führen. Der stärkste Einfluss kommt von der unvollkommen runden Form der Erde, dem sogenannten Geoid . Dabei steht unser Planet am Äquator im Vergleich zu den Polen leicht hervor.

Dieser als Präzession bezeichnete Effekt bewirkt, dass die Erdachse am Himmel einen Kreis beschreibt. Derzeit ist sie genau auf den Polarstern ausgerichtet. Doch in Zukunft wird sie sich an anderen Sternen ausrichten, bevor sie zum Polarstern zurückkehrt und so einen 26.000-jährigen Zyklus vollendet.

Doch auch die Gravitationskräfte von Sonne und Mond, die sich mal verstärken, mal abschwächen, üben einen Zug auf die Erdachse aus. Dieser als Nutation bezeichnete Effekt verursacht kleine wellenartige Bewegungen im Präzessionskreis der Erdachse. Es gibt eine ausgeprägte Nutation mit einer Periode von 18,6 Jahren, aber auch viele kleinere mit wöchentlichen oder täglichen Schwankungen.

Dies hat zur Folge, dass die Erdachse nicht gleichmäßig taumelt, sondern unterschiedlich stark.

Der Ringlaser konnte all diese Effekte direkt und kontinuierlich über 250 Tage hinweg mit einer für Inertialsensoren – Sensoren, die unabhängig von externen Signalen arbeiten – unerreichten Präzision messen. Anders als bisher ist hierfür kein Netzwerk aus mehreren sehr großen Radioteleskopen (VLBI) auf verschiedenen Kontinenten erforderlich.

Der Ringlaser kann all dies allein in einem relativ kleinen Instrument durchführen, das sich in einer unterirdischen Anlage in Wettzell, Deutschland, befindet. Darüber hinaus beträgt die zeitliche Auflösung der Schwankungen weniger als eine Stunde statt eines Tages, und die Ergebnisse stehen sofort zur Verfügung, statt erst Tage oder Wochen wie bei der Interferometrie (VLBI).

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