Tiefgefrorene Hochfrequenzverstärker messen besser

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Radiowellen weit entfernter astronomischer Objekte sind sehr informativ. Um sie hochgenau und fehlerfrei zu messen, setzen Astrophysiker künftig rauscharme, tiefgefrorene Hochfrequenzverstärker ein. Eine neue Entwicklung für leistungsfähige Radioteleskope.

Radiowellen, die von astronomischen Objekten ausgesendet werden, dienen Astrophysikern als Maßstab, um verschiedene Eigenschaften der Erde zu bestimmen. Sie nutzen dazu hochempfindliche Radioteleskope. Je genauer die Wissenschaftler die Positionen der Teleskope bestimmen können, desto exakter können sie Informationen auswerten. Der Trick: Sie nutzen den räumlichen Abstand der auf der ganzen Erde verteilten Teleskope und die dadurch unterschiedlichen Zeitbeziehungen. „Bedeutend für die Abstandsermittlung ist die Präzision, mit der die Zeitdifferenzen vermessen werden können.

Dabei kommt es auf jede Pikosekunde an", erklärt Dr. Mikko Kotiranta, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF. Das ist der Billionste Teil einer Sekunde. Basierend auf mehreren Messungen ist es beispielsweise möglich, die Länge des Tages, die Bewegung der Erdplatten, der Pole und der Erdachse sehr genau zu ermitteln. „Dieses Wissen wird unter anderem dazu genutzt, die Umlaufbahnen von Satelliten genauer zu bestimmen“, so Kotiranta.

Alle Körper erzeugen ein elektromagnetisches Eigenrauschen

Die genutzten Radiowellen wie stammen von Quasaren - riesige schwarze Löcher im Zentrum der Galaxien, die mehrere Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt sind. Die Quasare sind in Bewegung durch das Weltall. Wie alle andere astronomische Objekte. Wegen ihrer enormen Entfernung scheinen sie jedoch von der Erde aus betrachtet still zu stehen. Zusätzlich erscheinen sie uns als punktförmige Objekte, weshalb sie ideale Fixpunkte zur Vermessung der Erde sind.

Wegen der enormen Entfernung kommen die Radiowellen in sehr schwacher Signalstärke bei den Teleskopen an. Das stellt hohe Anforderungen die Empfangstechnik. Ein weiteres Hindernis, um die Signale fehlerfrei zu empfangen, sind elektromagnetische Störgeräusche. Denn alle Körper, deren Temperatur über dem absoluten Nullpunkt – 0 Kelvin beziehungsweise minus 273 Grad Celsius – liegen, erzeugen elektromagnetisches Eigenrauschen. Nur am absoluten Nullpunkt würde aus elektromagnetischer Sicht vollkommene Ruhe herrschen. So lautet eine Regel, die unter anderem auch der Physiker Professor Andreas Thiede in „Die Theorie der Integrierte Hochfrequenzverstärker“ beschreibt: Je kälter, desto weniger Rauschen.

Erst tiefgekühlt arbeiten Verstärker rauscharm

Aus diesem Grund haben die Wissenschaftler ein Vorgängermodell eines leistungsfähigen Hochfrequenzverstärker für Radioteleskope Verstärkers in eine besonders kalte Kühltruhe gesteckt. Um die Elektronik für die dort herrschen 22 Kelvin (minus 251 Grad Celsius) anzupassen, haben die Forscher ein mathematisches Modell entwickelt. Es zeigt an, wie Hochfrequenzschaltungen entworfen sein müssen, um auch unter extrem kalten Bedingungen zu funktionieren. Im Reinraum und im Labor fertigten sie zusammen mit den Projektpartnern darauf aufbauend einen Mikrowellenverstärker und testeten ihn bei unterschiedlichen Temperaturen.

Die Ergebnisse nutzten sie, um das Modell weiter zu verfeinern, so dass die Vorhersage des Modells besser den gemessenen Daten entsprach. Mit dem aktualisierten Modell wurde dann ein neuer Verstärkerprototyp entworfen und so lange optimiert, bis schließlich ein rauscharmer Verstärker entstand, der alle notwendigen Voraussetzungen erfüllte: Er funktioniert einwandfrei bei sehr niedrigen Temperaturen und sein elektromagnetisches Eigenrauschen ist auf ein Minimum reduziert.

Der leistungsfähige Hochfrequenzverstärker für Radioteleskope wurde im Übrigen von den IAF-Forscher zusammen mit spanischen Projektpartnern vom Instituto Geográfico Nacional und der University of Cantabria entwickelt.