DE102022103398A1 - Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät und Verfahren zum Messen einer Gravitationsfeldgradientenänderung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät (10) zum Messen einer Gravitationsfeldgradientenänderung, mit (a) einem ersten Masseelement (12.1), das eine erste Masse (m1) hat, (b) einem zweiten Masseelement (12.2), das eine zweite Masse (m2) hat und mit dem ersten Masseelement (12.1) starr verbunden ist, (c) einem Lager, um das das erste Masseelement (12.1) und das zweite Masseelement (12.2) gemeinsam drehbar gelagert sind. Erfindungsgemäß vorgesehen ist (d) ein drittes Masseelement (12.3), (e) wobei die Masseelemente (12) so angeordnet sind, dass die Masseelemente (12) in eine Nullstellung bringbar sind, in der (i) eine erste Masseelement-Höhe (H1), auf der das erste Masseelement (12.1) angeordnet ist, größer ist als eine zweite Masseelement-Höhe (H2), auf der das zweite Masseelement (12.2) angeordnet ist, und (ii) eine dritte Masseelement-Höhe (H3), auf der das dritte Masseelement (12.3) angeordnet ist, das zwischen der ersten Masseelement-Höhe (H1) und der zweiten Masseelement-Höhe (H2) liegt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät zum Messen einer Gravitationsfeldgradientenänderung mit (a) einem ersten Masseelement, das eine erste Masse hat, (b) einem zweiten Masseelement, das eine zweite Masse hat und mit dem ersten Masseelement starr verbunden ist, und (c) einem Lager, um das das erste Masseelement und das zweite Masseelement gemeinsam drehbar gelagert sind. Gemäß einem 2. Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen einer Gravitationsfeldgradientenänderung.
• Die Messung der Gravitation ist problematisch, da die Gravitationswechselwirkung im Vergleich zu den anderen drei Fundamentalkräften sehr schwach ist und sich zudem nicht abschirmen lässt.
• Bekannt sind Gradiometer, mittels denen vertikale Gradienten des Gravitationsfelds bestimmt werden können. Ein vertikaler Gradient ist die räumliche Ableitung des Gravitationsfelds in vertikaler Richtung.
• Bekannt sind zudem Relativgravimeter, die Feder-Masse-Systeme enthalten. Je nach Stärke des Gravitationsfelds ändert sich deren Federlänge.
• Nachteilig an bekannten Gravitationsfeldkrümmungsmessgeräten ist, dass sie die Inhomogenität des Gravitationsfelds nur in linearer Näherung gut messen können.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Inhomogenitäten des Gravitationsfelds mit höherer Genauigkeit zu erfassen.
• Die Erfindung löst das Problem durch ein gattungsgemäßes Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät, das ein drittes Masseelement aufweist, wobei die drei Masseelemente so angeordnet sind, dass sie in eine Nullstellung bringbar sind, in der (i) eine erste Masseelement-Höhe, auf der das erste Masseelement angeordnet ist, größer ist als eine zweite Masseelement-Höhe, auf der das zweite Masseelement angeordnet ist, und (ii) eine dritte Masseelement-Höhe, auf der das dritte Masseelement angeordnet ist, zwischen der ersten Masseelement-Höhe und der zweiten Masseelement-Höhe liegt. Insbesondere ist dieses Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät ein Gravitationsfeldkrümmungsmessgerät.
• Die Erfindung löst das Problem zudem durch ein Verfahren zum Messen einer Gravitationsfeldeigenschaft mit den Schritten (a) automatisches Messen einer Auslenkung zumindest eines Masseelementes eines erfindungsgemäßen Gravitationsfeldeigenschaftsmessgeräts und (b) automatisches Berechnen einer räumlichen Gravitationsfeldgradientenänderung aus der Auslenkung. Statt des Begriffs Gravitationsfeldgradientenänderung könnte auch der Begriff Gravitationsfeldkrümmung verwendet werden.
• Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät ist, dass die Krümmung des Gravitationsfelds direkt gemessen werden kann. Bei bekannten Gravitationsfeldeigenschaftsmessgeräten muss die Krümmung des Gravitationsfelds indirekt durch Ableiten ermittelt werden, was fehleranfällig ist.
• Günstig ist zudem, dass das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät so gebaut werden kann, dass es im Fall eines Gravitationsfelds einer hypothetischen Punktmasse im Lager kein Drehmoment anliegt. In anderen Worten addieren sich die Drehmomente bezüglich einer Drehachse des Lagers in diesem Fall zumindest im Wesentlichen zu null.
• Das erfindungsgemäße Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät weist vorzugsweise eine Auswerteeinheit auf. Die Auswerteeinheit ist vorzugsweise ausgebildet zum numerischen Integrieren von an mehreren Stellen der gemessenen Gravitationsfeldkrümmungen, sodass ein Gravitationsfeldgradient und/oder die Gravitationsfeldstärke ortsaufgelöst erhalten wird.
• Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Masseelement ein Objekt verstanden, das so ausgebildet und positioniert ist, dass die Schwerkraft des Masseelements zum Messen der Gravitationsfeldkrümmung verwendbar ist. Beispielsweise ist das Masseelement durch eine Verdickung gebildet.
• Unter dem Lager wird insbesondere eine Struktur verstanden, die die Bewegungsfreiheit gerade der Masseelemente in zumindest vier, insbesondere fünf, Freiheitsgraden einschränkt. Vorzugsweise ermöglicht das Lager eine Bewegung in einem Drehfreiheitsgrad.
• In der Nullstellung erfahren die Masseelemente vorzugsweise keine Drehbeschleunigung und/oder keine Änderung ihrer Geschwindigkeit. Alternativ oder zusätzlich liegt in der Nullstellung im Fall eines Gravitationsfelds einer - hypothetischen - Punktmasse im Lager zumindest im Wesentlichen kein Drehmoment an.
• Die Nullstellung ist eine Referenzposition. Wird das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät örtlich bewegt, so ändert sich der Drehwinkel, falls die räumliche Verteilung des Gravitationsfeldes sich ändert, also ein neues Drehmoment resultiert. In der Nullstellung kann auch schon ein Drehmoment angreifen, welches aber durch das Rückstellmoment des Rückstellmomenterzeugers kompensiert wird. Unter dem Merkmal, dass im Lager zumindest im Wesentlichen kein Drehmoment anliegt, wird insbesondere verstanden, dass es zwar möglich und wünschenswert ist, dass kein Drehmoment anliegt, dass es aber ausreicht, wenn das Drehmoment höchstens ein Fünftel, insbesondere höchstens ein Zehntel, des maximal möglichen Drehmoments beträgt.
• Unter dem Merkmal, dass das erste Masseelement mit dem zweiten Masseelement starr verbunden ist, wird insbesondere verstanden, dass eine Verbindungsstruktur zwischen den beiden Masseelementen existiert, deren - unvermeidliche - Biegeelastizität so klein ist, dass sie vernachlässigbar ist.
• Vorzugsweise ist das dritte Masseelement mit dem ersten Masseelement und/oder dem zweiten Masseelement starr verbunden. Eine Struktur, die die drei Masseelemente miteinander verbindet, wird Verbindungstruktur genannt. Die Verbindungsstruktur ist mittels des Lagers schwenkbar gelagert.
• Das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät ist zudem ein Kraftmessgerät, da eine (zusätzliche) Kraft, die auf eine vom Lager beabstandete Stelle eines Objekts, das um das Lager schwenkbar gelagert ist, mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann. Der Grund dafür ist, dass ansonsten entstehende systematische Fehler durch den konstanten und den linearen Anteil des Erd-Gravitationsfeldes kompensierbar sind.
• Günstig ist es, wenn in der Nullstellung das erste Masseelement direkt oberhalb des zweiten Masseelements angeordnet ist. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass das erste Masseelement auf das zweite Masseelement fiele, wenn es nicht befestigt wäre.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät einen Drehwinkeländerungsmesser zum Messen einer Drehauslenkung zumindest einer der Masseelemente aus der Nulllage. Der Drehwinkeländerungsmesser weist beispielsweise ein Laserinterferometer auf. Alternativ oder zusätzlich ist der Drehwinkeländerungsmesser ein kapazitiver Drehwinkeländerungsmesser. Der Drehwinkeländerungsmesser kann zudem auf einem anderen Messprinzip beruhen.
• Der Drehwinkeländerungsmesser kann ausgebildet sein zum Erfassen einer Drehverschiebung und/oder einer linearen Verschiebung. Maßgeblich ist lediglich, dass aus den gemessenen Daten die Drehwinkeländerung berechnet werden kann.
• Das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät weist vorzugsweise einen Rückstellmomenterzeuger auf, mittels dem eine Kraft auf die Masseelemente erzeugbar ist, die diese in die Nullstellung bringt. In anderen Worten ist der Rückstellmomenterzeuger so ausgebildet, dass er die Masseelemente in die Nullstellung bringt, wenn kein externes Gravitationsfeld anliegt.
• Der Rückstellmomenterzeuger kann passiv sein, beispielsweise eine Feder. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der passive Rückstellmomenterzeuger ausgebildet zum Erzeugen einer Rückstellkraft, die einem rückstellenden Drehmoment bezüglich einer Drehung um eine Drehachse des Lagers entspricht. Die Feder erzeugt vorzugsweise ein rückstellendes Drehmoment mit einer Torsionskonstante von höchstens 10^-3 Nm/rad (Newtonmeter pro Radiant), insbesondere höchstens 10^-4 Nm/rad.
• Alternativ oder zusätzlich kann der Rückstellmomenterzeuger aktiv sein und beispielsweise einen Antrieb aufweisen, insbesondere einen elektrostatischen oder magnetischen Antrieb. Vorzugsweise ist der Rückstellmomenterzeuger mit der Verbindungsstruktur verbunden und so angeordnet, dass durch ein Ausüben einer Kraft auf die Verbindungstruktur die Masseelemente in die Nullstellung bringbar sind.
• Günstig ist es, wenn die drei Masseelemente und die Verbindungstruktur bezüglich einer Drehung um eine Drehachse des Lagers eine Eigenfrequenz von höchstens 2 Hz, insbesondere höchstens 1 Hz, hat. Vorzugsweise beträgt die Eigenfrequenz zumindest 0,01 Hz.
• Vorzugsweise besitzt das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät eine Auswerteeinheit. Auch die Auswerteeinheit ist vorzugsweise ausgebildet zum Ansteuern des Antriebs, sodass diese die Masseelemente in die Nulllage bewegt. Der Antrieb wird von der Auswerteeinheit vorzugsweise mit einer elektrischen Spannung oder einem elektrischen Strom beaufschlagt, sodass der Antrieb eine rückstellende Kraft auf die Masseelemente ausübt. Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit ausgebildet zum Berechnen der rückstellenden Kraft und/oder der Gravitationsfeldkrümmung aus der elektrischen Spannung oder dem elektrischen Strom.
• Vorzugsweise ist das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät als Mikrosystem ausgebildet. Günstig ist es, wenn ein Abstand zwischen den Masseschwerpunkt des ersten Masseelements und des zweiten Masseelements höchstens 10 cm, insbesondere höchstens 5 cm, vorzugsweise höchstens 1 cm, beträgt.
• Günstig ist es, wenn das Mikrosystem aus einem homogenen Material, insbesondere einem Einkristall, herausgearbeitet, insbesondere herausgeätzt, ist. Vorzugsweise sind die Masseelemente miteinander einstückig verbunden. Einstückig bedeutet dabei fügestellenfrei.
• Günstig ist es, wenn das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät einen Gütefaktor von mindestens, also höher als, 270 000 aufweist. Je höher Gütefaktor, desto besser die erreichbare Messunsicherheit.
• Vorzugsweise hat das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät eine Messunsicherheit von höchstens, also besser als, 0,1 Eötvös = 0,1 nm/(s²m), also Nanometer pro Sekundenquadrat und Meter. Das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät umfasst vorzugsweise einen Kalibrierschein, in dem diese Messunsicherheit auf Basis einer rückgeführten Messung bescheinigt ist.
• Günstig ist es, wenn die Masseelemente aus nicht magnetisierbarem Material aufgebaut sind. Alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise die Verbindungsstruktur aus nicht magnetisierbarem Material aufgebaut. Wiederum alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise das Lager aus nicht magnetisierbarem Material aufgebaut. Vorzugsweise ist die Suszeptibilität des Materials betragsmäßig kleiner als 10^-3.
• Günstig ist es, wenn die erste Masse der zweiten Masse entspricht. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass sich die Masse des ersten Masseelements von der Masse des zweiten Masseelements relativ um höchstens 10^-2, insbesondere höchstens 10^-3, unterscheidet.
• Günstig ist es, wenn die erste Masse der dritten Masse entspricht. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass sich die Masse des ersten Masseelements von der Masse des dritten Masseelements relativ um höchstens 10^-2, insbesondere höchstens 10^-3, unterscheidet.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind (a) die erste Masse und die zweite Masse mittels eines ersten Stegs verbunden und (b) die dritte Masse ist mittels eines zweiten Stegs mit dem ersten Steg verbunden, wobei (c) der zweite Steg drehbar am Lager gelagert ist.
• Besonders günstig ist es in diesem Fall, wenn eine Hebelarmlänge zwischen dem Masseschwerpunkt des dritten Masseelements und der Drehachse des Lagers doppelt so lang ist wie ein Abstand zwischen der Drehachse des Lagers und einem gemeinsamen Masseschwerpunkt des Systems aus dem ersten und zweiten Masseelement. Vorzugsweise entspricht der Abstand zwischen dem Masseschwerpunkt des zweiten Masseelements und dem Masseschwerpunkt des ersten Masseelements der doppelten Hebelarmlänge zwischen dem Masseschwerpunkt des dritten Masseelements und der Drehachse des Lagers.
• Vorzugsweise ist das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät mittels eines Inertiallagers gelagert. Das Inertiallager und das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät bilden ein Gravitationsfeldeigenschaftsmesssystem.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät in einer Vakuumkammer angeordnet.
• Die Auswerteeinheit ist vorzugsweise ausgebildet zum automatischen Erfassen einer Auslenkung zumindest eines Masseelements und zum automatischen Berechnen einer Gravitationsfeldkrümmung und/oder einer Gravitationsfeldgradientenänderung aus der Auslenkung.
• Erfindungsgemäß sind zudem Verfahren zum Detektieren von Objekten aus hochdichtem Material, zur Materialprüfung und zum Erfassen von unterirdischen Hohlräumen, bei denen ein erfindungsgemäßes Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät eingesetzt wird.
• Erfindungsgemäß ist zudem ein Verfahren zur Navigation anhand von Gravitationskarten, bei dem mittels eines erfindungsgemäßen Gravitationsfeldeigenschaftsmessgeräts die Krümmung des Gravitationsfelds gemessen und mit einer Karte verglichen wird, auf der die Gravitationsfeldkrümmung eingetragen ist. In anderen Worten ist eine solche Karte die jeweilige Zuordnung einer Vielzahl von Positionen auf der Erdoberfläche zur Gravitationsfeldkrümmung. Eine derartige Navigation ist insbesondere für Unterwasserfahrzeuge, insbesondere U-Boote, vorteilhaft, da andere Navigationsmethoden dafür unverfügbar oder stark fehlerbehaftet sind.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
• 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Gravitationsfeldeigenschaftsmessgeräts in einem erfindungsgemäßen Gravitationsfeldeigenschaftsmesssystem.
• 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 mit einem ersten Masseelement 12.1, einem zweiten Masseelement 12.2 und einem dritten Masseelement 12.3. Das erste Masseelement 12.1 ist mit dem zweiten Masseelement 12.2 mittels eines ersten Stegs 14.1 verbunden. Das dritte Masseelement 12.3 ist mittels eines zweiten Stegs 14.2 mit dem ersten Steg 14.1 verbunden.
• Günstig ist es, wenn eine Zweitsteglängsachse L2 des zweiten Stegs 14.2 eine Erststeglängsachse L1 des ersten Stegs 14.1 in einem Schnittpunkt schneidet, der auf halbem Weg zwischen einem ersten Masseschwerpunkt des ersten Masseelements 12.1 und einem zweiten Masseschwerpunkt des zweiten Masseelements 12.2 liegt.
• Der zweite Steg 14.2 ist in einem Lager 16 gelagert. Bei dem Lager 16 handelt es sich beispielsweise um ein Festkörpergelenk oder ein Schneidenlager. Mittels des Lagers 16 ist der zweite Steg 14.2 um eine Drehachse A₁₆ drehbar gelagert.
• 1 zeigt das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 in seiner Nullstellung. In dieser ist das erste Masseelement 12.1 auf einer ersten Masseelement-Höhe H₁ angeordnet, das zweite Masseelement 12.2 auf einer zweiten Masseelement-Höhe H₂ und das dritte Masseelement 12.3 auf einer dritten Masseelement-Höhe H₃. Es gilt H₂< H₃< H₁
• Das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 besitzt einen Drehwinkeländerungsmesser 18, der im vorliegenden Fall ein Interferometer 20 aufweist. Das Interferometer 20 sendet einen Laserstrahl 22 eines Lasers 24 auf einen Retroreflektor 26, der relativ zum, insbesondere direkt am, zweiten Steg 14.2 befestigt ist. Dreht sich der zweite Steg 14.2 um die Drehachse A₁₆, ändert sich ein Interferenzmuster auf einem Detektor 28 des Interferometers 20. Eine Auswerteeinheit 30 erfasst diese Änderung und berechnet daraus eine Drehwinkeländerung eines Drehwinkels θ, um den die Masseelemente 12.1,12.2,12.3 um die Drehachse A₁₆ gedreht wurden.
• Mittels eines Rückstellmomenterzeugers 32, beispielsweise in Form einer Feder 34, werden die Masseelemente und eine Verbindungsstruktur 36, die aus den Stegen 14.1,14.2 gebildet ist, in eine Nullstellung vorgespannt, die in 1 gezeigt ist. Der Drehwinkel θ hängt linear von einem Drehmoment N ab, das durch die Wirkung einer Gravitationsfeldkrümmung hervorgerufen wird. Es gilt $$\mathrm{\theta }=\text{D}\left|\overrightarrow{\text{N}}\right|.$$

  

  mit der Torsionskonstante D.
• Der Rückstellmomenterzeuger 32 kann zudem einen Antrieb aufweisen, beispielsweise elektrostatischen Antrieb 38. Beispielsweise kann es sich beim Antrieb 38 um einen elektrostatischen Kammantrieb handeln. In diesem Fall steuert die Auswerteeinheit 30 den Antrieb 38 so an, dass der Drehwinkel θ einen konstanten Wert hat. Aus dem Ansteuerparameter, im Falle eines Kammantriebs aus der angelegten elektrischen Spannung zwischen den Elektroden, bestimmt die Auswerteeinheit die Gravitationsfeldkrümmung.
• Das erste Masseelement 12.1 hat eine erste Masse m₁, das zweite Masseelement 12.2 hat eine zweite Masse m₂, das dritte Masseelement 12.3 hat eine dritte Masse m₃. Die Verbindungsstruktur 36 hat eine Masse, die im Vergleich zu den Massen m_i (i = 1, 2, 3) hinreichend klein ist, sodass sich das Trägheitsmoment I des Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 zu $$I=m\cdot d^2+2\cdot m\cdot \left({\left(\frac{d}{2}\right)}^2+d^2\right)=\mathrm{3,5}\cdot m\cdot d^2$$

  

  ergibt. Darin ist d die Hebelarmlänge zwischen dem Masseschwerpunkt des dritten Masseelements 12.3 und der Drehachse A₁₆.
• Für das resultierende Drehmoment N findet man $$\mathrm{\Delta }N=N_R-N_L=\text{m}\cdot \frac{\text{d}}{2}\cdot \left(g_1+g_2\right)-m\cdot g_3\cdot d,$$

  

  wobei N_L das Drehmoment auf der linken und N_R das Drehmoment auf der rechten Hebelseite bezeichnet. g_i bezeichnet den Schwerewert, der am Masseelement 12.i wirkt.
• Es sei ein konstanter Schweregradient (der Erde) γ und eine lokale Störung δg der Schwere bei g₃ angenommen. Dann lassen sich die Schwerewerte ausdrücken als, $$\begin{array}{c}{g}_2=g_1+\gamma d\\ g_3=g_1+2\gamma d+\delta g.\end{array}$$

  
• Als Beispiel seien ferner δg = 1 · 10^-11 m s^-2, m = 1,42 · 10^-3 kg angenommen, dann folgt mit (3) und (4) Γ = 0,1 E und ΔN = 3,6 · 10^-16. Darin ist E = 1 nm/(s²m).
• Für die Torsionskonstante D folgt aus dem aufzulösenden resultierenden Drehmoment ΔN und der Auflösung s des Drehwinkeländerungsmessers 18 $$D=\frac{\mathrm{\Delta }N}{\mathrm{\theta }}=\frac{\mathrm{\Delta }N{d}_{26}}{s},$$

  

  wobei θ den Drehwinkel angibt, der auch als Auslenkwinkel bezeichnet werden kann. s ist der Weg, den der Retroreflektor 26 aus der Nullstellung zurücklegt.
• Mit obigen Beispiel-Werten erhält man $D=\frac{3.6\cdot {10}^{-16}N\text{m}}{2\cdot {10}^{-11}\text{rad}}=\mathrm{1,8}\cdot {10}^{-5}$

  

  Nm rad^-1, wobei s = 1 pm angenommen wurde. Schließlich folgt für die Eigenfrequenz $${ƒ}_0=\frac{1}{2\mathrm{\pi }}\sqrt{\frac{D}{I}},$$

  

  bzw. mit den entsprechenden Werten f₀ = 0,34 Hz.
• Es ist noch der nötige Gütefaktor zu ermitteln, um eine spektrale Dichte von TNEAA = 0.1 E Hz^-1/2 zu erzielen (TNEAA: thermal noise equivalent angular acceleration). Dazu werden T = 293 K und k_b = 1.38 · 10^-23 J K^-1 in $$TNEAA={\left(\frac{4k_{b}T{\mathrm{\omega }}_0}{IQ}\right)}^{1/2}.$$

  

  gesetzt und es wird der Gütefaktor Q = 278 210 (thermisches Rauschen der Massen) erhalten.
• Um einen solchen Gütefaktor zu erreichen, ist das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 in einer Vakuumkammer 40 angeordnet. Darin herrscht ein Druck p₄₀ von vorzugsweise p₄₀ < 100 hPa. Günstig ist es, wenn p₄₀ < 10^-6 Pa, insbesondere p₄₀ < 10^-5 Pa, gilt.
• Das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 und die Vakuumkammer 40 bilden ein Gravitationsfeldeigenschaftsmesssystem 41. Günstig ist es, wenn das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 mittels eines Inertiallagers 42 gelagert ist. Insbesondere umfasst das Inertiallager 42 eine kardanische Aufhängung 44, die angedeutet eingezeichnet ist. Das Inertiallager 42 weist vorzugsweise zudem rotierende Kreisel auf, die um die Achsen der kardanischen Aufhängung rotieren und so das Inertiallager 42 stabilisieren.
• Das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 kann verwendet werden, um Änderungen der Massezusammensetzung der näheren Umgebung zu erfassen. Wegen der geringen Messunsicherheit kann ein derartiges Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 verwendet werden, um Objekte mit hoher Dichte, beispielsweise nukleares Material, in einem Container zu detektieren.
• Das Gravitationsfeld der Erde besitzt zudem eine Gravitationsfeldkrümmung, die von der Position auf der Erdoberfläche abhängt. Anhand einer kartierten Gravitationsfeldkrümmung kann damit bei ungefährer Kenntnis der Position des Gravitationsfeldeigenschaftsmessgeräts 10 auf dessen genaue Position auf der Erdoberfläche geschlossen werden.
• Bezugszeichenliste

10

Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät

12

Masseelement

14

Steg

16

Lager

18

Drehwinkeländerungsmesser

20

Interferometer

22

Laserstrahl

24

Laser

26

Retroreflektor

28

Detektor

30

Auswerteeinheit

32

Rückstellmomenterzeuger

34

Feder

36

Verbindungstruktur

38

Antrieb

40

Vakuumkammer

41

Gravitationsfeldeigenschaftsmesssystem

42

Inertiallager

44

kardanische Aufhängung

γ

konstanter Schweregradient (der Erde)

θ

Drehwinkel

ω0

ω₀ = 2πf₀

A16

Drehachse des Lagers 16

d

Hebelarmlänge

D

Torsionskonstante

E

Eötvös (= nm/(s²m))

f0

Eigenfrequenz

δg

lokale Störung der Schwere

gi

Schwerewert, der am Masseelement 12.i wirkt

H

Masseelement-Höhe

i

Laufindex i = 1, 2, 3 (Masseelemente)

I

Trägheitsmoment

kb

Boltzmann-Konstante

L1

Erststeglängsachse

L2

Zweitsteglängsachse

m

Masse

N

Drehmoment

p40

Druck in der Vakuumkammer

Q

Gütefaktor

s

Weg des Retroreflektors 26 aus der Nullstellung

TNEAA

thermal noise equivalent angular acceleration (äquivalentes thermisches Rauschen der Winkelbeschleunigung)

V

Vertikale

Claims (10)

1. Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät (10) zum Messen einer Gravitationsfeldgradientenänderung, mit (a) einem ersten Masseelement (12.1), das eine erste Masse (m₁) hat, (b) einem zweiten Masseelement (12.2), das eine zweite Masse (m₂) hat und mit dem ersten Masseelement (12.1) starr verbunden ist, (c) einem Lager, um das das erste Masseelement (12.1) und das zweite Masseelement (12.2) gemeinsam drehbar gelagert sind, gekennzeichnet durch (d) ein drittes Masseelement (12.3), (e) wobei die Masseelemente (12) so angeordnet sind, dass die Masseelemente (12) in eine Nullstellung bringbar sind, in der (i) eine erste Masseelement-Höhe (H₁), auf der das erste Masseelement (12.1) angeordnet ist, größer ist als eine zweite Masseelement-Höhe (H₂), auf der das zweite Masseelement (12.2) angeordnet ist, und (ii) eine dritte Masseelement-Höhe (H₃), auf der das dritte Masseelement (12.3) angeordnet ist, das zwischen der ersten Masseelement-Höhe (H₁) und der zweiten Masseelement-Höhe (H₂) liegt.
2. Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Drehwinkeländerungsmesser (18) zum Messen einer Drehauslenkung zumindest einer der Masseelemente (12) aus der Nulllage.
3. Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Rückstellmomenterzeuger (32), insbesondere eine Feder (34), der einer Auslenkung der Masseelemente (12) aus der Nullstellung entgegenwirkt.
4. Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Mikrosystem ausgebildet ist.
5. Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Gütefaktor von mindestens 270 000 aufweist.
6. Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (a) die Masseelemente (12) und/oder die Verbindungsstruktur (36), die die Masseelemente (12) miteinander verbindet, und/oder das Lager (16) aus nicht magnetisierbarem Material aufgebaut sind und/oder (b) die erste Masse (m₁) der zweiten Masse (m₂) entspricht und/oder die dritte Masse (m₃) der ersten Masse (m₁) entspricht oder dass (c) die dritte Masse (m₃) das Doppelte der ersten Masse (m₁) beträgt und eine Hebelarmlänge (d) zwischen dem Masseschwerpunkt des dritten Masseelements (12.3) und einer Drehachse (A₁₆) des Lagers (16) doppelt so lang ist wie ein Abstand zwischen der Drehachse (A₁₆) und einem gemeinsamen Masseschwerpunkt eines Systems aus dem ersten Masseelement (12.1) und zweitem Masseelement (12.2).
7. Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (a) die erste Masse (m₁) und die zweite Masse (m₂) mittels eines ersten Stegs (14.1) verbunden sind und (b) die dritte Masse (m₃) mittels eines zweiten Stegs (14.2) mit dem ersten Steg (14.1) verbunden ist, (c) wobei der zweite Steg (14.2) drehbar am Lager (16) gelagert ist.
8. Gravitationsfeldeigenschaftsmesssystem (41) mit (a) einem Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche und (b) einem Inertiallager (42), mittels dem das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät gelagert ist.
9. Gravitationsfeldeigenschaftsmesssystem (41) nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Vakuumkammer (40), in der das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät (10) angeordnet ist.
10. Verfahren zum Messen einer Gravitationsfeldeigenschaft mit den Schritten: (a) automatisches Messen einer Auslenkung zumindest eines Masseelements (12) eines Gravitationsfeldeigenschaftsmessgeräts (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche und (b) automatisches Berechnen einer räumlichen Gravitationsfeldgradientenänderung aus der Auslenkung.

Images