 Guten Tag. Wir wollten jetzt einmal unseren Vortrag Stratum Null Atomuhr-Projekt für Hacker-Spaces halten und zwar einmal Schurragan. Er hält dann den technischen Teil des ganzen Aufbaus, die Elektrik und so weiter und Elektronik vor allem. Und ich erkläre am Anfang etwas über die physikalischen Grundlagen einer Atomuhr. Also wer Angst vor Atomen hat, sollte diesen Raum vielleicht verlassen, denn wir haben Atome dabei. Gut, also Atomuhr. Das ist unsere Atomuhr, die liegt auch oben im Hexcenter. Die könnt ihr euch anschauen, die ist direkt neben dem Nock. Was die einzelnen Teile sind, kommt am Ende des Vortrages nochmal. Gut, also warum bauen wir als Hackerspace so etwas für eine Atomuhr und so weiter? Das liegt einfach daran, dass wir hier im Braunschweig sind. Braunschweig ist auch der Ort, wo die PTB ist, also die Physikalstechnische Bundesanstalt. Und die sind diejenigen, die die Atomuhr haben, die für Deutschland die Zeit quasi festlegen. Die werden dann zwischen den Ländern synchronisiert und so weiter. Genau, und stratum selber, dieser Begriff kommt aus dem Network Time Protocol. Das bedeutet, also dieses Protokoll, mit dem man die Zeit zwischen Computern synchronisiert. Da bedeutet stratum 1 zum Beispiel, dass das der Rechner ist, der die Zeit direkt von der Atomuhr bekommt. Stratum 2 ist dann ein Server, der mit dem stratum 1 Server synchronisiert wurde. Und stratum 3 ist dann der Server, mit dem man als Endbenutzer eigentlich normalerweise synchronisiert. Also die dritte Stufe. Stratum 0 ist dann sinngemäß eine Bezeichnung für die Atomuhr. Auch wenn das in dem Protokoll so nicht direkt vorgesehen ist. Aber das ist der Grund, weshalb der Hackerspace im Braunschweig stratum 0 heißt. Um quasi die Standortgegebenheit, dass wir hier Atomuhr haben, mit der Informatik zu verbinden, die ja oft ein guter Grund sind für viele Leute, mitgeht eines Hackerspaces zu werden. Aber warum Atomuhrn? Man möchte irgendwas mit Zeit machen, aber was ist Zeit? Und da ist dann die spannende Frage, was soll das sein? Also Zeit kann man entweder als Abfolge von Zuständen definieren. Dazu braucht man dann aber irgendwie eine Gerichtetheit. Und Zustände müssen nicht unbedingt nur zeitlich hintereinander sein, die können auch räumlich hintereinander sein. Also manchmal kann man Zeit einfach als die vierte Koordinate der vierdimensionalen Raumzeit bezeichnen, die in der allgemeinen Relativitätstheorie verwendet wird. Das ist eine sehr abstakte Definition. Die hat irgendwie wenig Intuition darin. Das Problem ist, was genau Zeit sein soll, ist auch eine aktuell diskutierte Frage in der Wissenschaft, da philosophische Hintergründe zu finden. Es gibt einen pragmatischen Ansatz und der besagt einfach, Zeit ist das, was eine Uhr misst. Gut, wenn man sagt, Zeit ist das, was eine Uhr misst, was ist dann eigentlich eine Uhr? Man könnte sagen, eine Uhr ist ein Gerät, das die Zeit misst. Das ist dann aber wieder ein Zirkuschluss. Darum sagt man, eine Uhr ist ein Gerät, das irgendwie regelmäßig wiederkehrende Zustände zählt. Das einfachste Beispiel dafür ist ein Pendel. Da brauche ich irgendjemand einen Freiwilligen. Gut, das hier ist ein wunderschönes DIN A4 Blatt. Ein DIN A4 Blatt hat die Eigenschaft, das ist ungefähr 30 Zentimeter lang. Wenn ich jetzt hier diese Pendellänge, genau auf die Länge des, also die Mittel von der Pendel, die Länge des DIN A4 Blattes mache, dann, wenn ich dann Schwingungen habe, bekomme ich ziemlich genau eine Sekunde raus. Und zwar, deine Aufgabe ist jetzt einfach, die Schwingungen zu zählen. So, das war jetzt eine Uhr, das Pendel und die Person, die gezählt hat. Also in den meisten Pendel-Uren, wie in der Abgebildeten zum Beispiel, hat man natürlich irgendwelche Zahnradgetriebe, die dann das Ganze irgendwie zählen. Die werden dann auch nicht dadurch verwirrt, dass andere Leute anders zählen, denn sie sind mechanisch und nicht geistig. So, vielen Dank für deine Hilfe. Das ist die einfachste Form einer Uhr. Und im Prinzip funktioniert jede Uhr genau so. Vielleicht noch nicht die Uhr, in die man jemand anders machen möchte, in der Zukunft, aber es geht jetzt erst mal um aktuelle Atom-Uren. Gut, das ist erst mal eine Uhr. Dann braucht man erst mal noch eine Einheit, in der man das misst. Und das ist dann die sogenannte Sekunde. Und die Sekunde ist eigentlich nur der 20 x 60 x 60 Teil eines Tages. Das ist ganz einleuchend, weil man hat die Uhr irgendwie definiert. Und dann kommt man halt auf so eine Sekunde. Das Problem ist, die Uhr, die Erde wackelt hin und her. Und man kann genauer Zeit messen mit anderen Verfahren, als die Erde sich dreht, weil die Erdtrierung variiert. Deswegen braucht man dann eine neue Definition. Die Definition ist hier auch wunderschön aufgestragen. Sie ist sehr unhandlich und nicht gleich zu verstehen. Im Prinzip ist einfach nur die Sekunde ungefähr das 9 Milliardenfache in einem bestimmten Prozess, der zufälligerweise konstant ist. Und zwar eines sogenannten Energieübergangs, der Quantenmechanisch funktioniert. Und deswegen erkläre ich jetzt einmal kurz, was Quantenmechanik ist. Ja, also, solltet ihr irgendwelche Fragen haben, dann fragt einfach zwischen drin, weil verständnisfragen kann man am besten direkt beantworten, sonst verlier ich euch irgendwie. Und das wäre doof, wenn ihr dann nicht mehr folgen könnt, weil ich irgendwie was vergessen habe zu erklären. Also Quantenmechanik. Die Grundannahme ist erstmal, dass sogenannte Energiezustände existieren. Also, dass ein Objekt eine bestimmte Energie haben kann. Und das gibt es nur stückchenweise. Also, zum Beispiel, irgendein Nerd mit einer Matheflasche hat halt dann Energie von einer Matheflasche. Eine Matheflasche hat eine bestimmte Größe. Und man kann jetzt nicht irgendwie die sich jetzt zerbrechen und dann hat man nur noch eine halbe Flasche und so weiter. Das funktioniert nicht entweder um eine ganze Flasche oder gar keine. Oder zwei, zum Beispiel. Zwei Matheflaschen. Und das sind dann Energiezustände. Und dann gibt es halt immer nur ganz zahlige Varianten. Abgebildet seht ihr einen pinken Punkt. Das ist sozusagen eine Visualisierung, eine hypothetischen Kerns eines Atoms. Und dann gibt es da diese roten Kreise. Das sind dann die Energiezustände. Und dieser Punkt in dem einen Kreis ist sozusagen ein Elektron. Und der kann nur innerhalb dieser Punkte existieren. Also, das ist nur eine Veranschaulichung. Die Realität sieht natürlich nicht so aus. Also, wenn man jetzt irgendwie das Elektron von einem einen Kreis in den anderen Kreis bringen möchte, dann muss man genau die richtige Menge Energie zuführen. Und zwar nur genau die, die der Differenz der beiden Zustände entspricht. Und das wird üblicherweise über Photonen gemacht. Das kann auch durch Stöße passieren. Das heißt, wenn man dann irgendwie so ein Photon, das ist dann der grüne Punkt. Photonen sind bekanntermaßen grün, wenn es grün ist Licht ist. Also, bei roten Licht sind die natürlich rot, aber bei irgendwie weißen Licht haben sie alle Farben. Ja, und wenn das grüne Photon dann gegen das Elektron knallt und absorbiert wird, das heißt, das Photon ist dann weg. Und die Energie von dem Photon ist dann in dem Elektron. Dann ist das Elektron ein Kreis weiter gesprungen. Und das bleibt dann da erstmal. Aber wie irgendwelche Sachen so sind, die rollen halt immer gerne runter. Das heißt, das Elektron will dann auch wieder runter. Wo die Energiezustand am niedrigsten ist. Das springt dann wieder zurück. Und die Energie, die dabei frei wird, ist dann wieder ein Photon, das zuverdägerweise genau die gleiche Farbe hat. Jetzt könnte man natürlich denken, ja, wenn das gleiche rauskommt, wie reinkommt, woher weiß man, ob das existiert. Das ist ganz einfach daher, dass wenn man nur aus einer Richtung Licht einstrahlt, dass genau absorbiert wird, dass wenn es dann wieder ausgesendet wird, dass es dann in alle Richtungen ausgesendet wird. Das heißt, wenn man von der anderen Seite guckt, wo man dann irgendwie ganz viele Molekül oder Atoma hat, in einem Gas, wo man auf der einen Seite Licht einstrahlt, und wenn das genau die richtige Frequenz trifft, also die richtige Energie, dann kommt auf der anderen Seite fast nichts durch. Wenn die Energie etwas falsch ist, dann kommt ganz viel durch. Und genau dieses Konzept benutzt man dann auch bei Atomuern. Und ich hatte erfolgen von dieser Definition gezeigt. Da geht es um meinen bestimmten von diesen Übergängen im Cesium. Und zwar eben diesen neuen Gigahertzübergang, 9 Gigahertz, das sind Mikro-Rellen. Ja, was in die Mikro-Welle ist, das weiß man ja, das ist dieses wunderschöne Gerät. Beziehungsweise eigentlich ist es eher die Strahlung in diesem Gerät. Bei diesen Geräten verwendet man aber eine andere Frequenz, die halt genau von Wasser absorbiert wird, damit es heiß wird. Aber das ist ein anderes Thema. Was man also braucht, ist man macht Mikro-Wellen. Man erzählt ganz viele Photonen, die diese Mikro-Wellen-Frequenz haben. Dazu benutzt man einen sogenannten Mikro-Wellen-Resonator. Resonator ist einfach nur eine Bezeichnung für irgendetwas, was bei einer Resonanzfrequenz schwingt. Zum Beispiel ein Schwingquarts, den kann man auf 9 Gigahertz einstellen. Und dann schickt man quasi diese Mikro-Wellen auf seine Cesiumatome und dann kann man sehen, ob das jetzt absorbiert wird oder nicht. Also, kommen wir jetzt mal zur Cesiumatome. Das ist so ein Detafon, das ist relativ kompliziert. Auf der einen Seite hat man ganz viele Cesiumatome. Also, Cesium ist ja ein Metall. Metalle sind fest, sie werden erst mal erhitzt, damit die Gasförmig werden. Die werden dann durch dieses Objekt durchgeschickt, was genau da im Detail passiert, das verschweige ich jetzt. Auf jeden Fall werden sie dann vom Mikro-Wellen getroffen und dann, wenn die Elektronen angeregt, wenn die Mikro-Wellen-Frequenz stimmt und je nachdem, wie viele angeregt wurden, das kann man dann messen. Und das benutzt man dann, um den Regelkreis zu schließen. Das heißt, auf der Rückschrift hinten misst man dann, wie viele von den Cesiumatomen angeregt wurden. Und je nachdem, wie viele angeregt wurden, kann man dann sagen, die Frequenz ist so und so stark verstellt, ändern wir die Frequenz vom Resonator. Das Ganze geht dann in den Regelkreis, das wird dann weiter zurück in den Oscillator und der Oscillator gibt dann wieder die Mikro-Wellen, die ausgesendet werden. Gut. Jetzt die spannende Frage, wo ist da die Uhr? Also, 9 Gigahertz, hatte ich ja erwähnt. Das ist im Prinzip irgendwie so das Doppelte von irgendwie so einem herkömmlich etwas aufgemotzen PC. Das heißt, man kann es eigentlich technisch heutzutage mit Schaltungen tatsächlich jede einzelne Welle im Prinzip zählen. Wie genau das funktioniert, da kommen Schurragan vielleicht gleich noch so ein bisschen drauf, wenn es dann um die Technik geht. In jedem Fall zählt man im Prinzip auch nur die Schwingung von diesen Mikrowellen. Und ja, also einfach das Gleiche wie bei dem Pendel, nur dass man halt 9 Milliarden mal plus 1 zählt pro Sekunde und natürlich nur einmal. Das ist eine Cesium-Atomuhr. Wir benutzen allerdings kein Cesium in unserer Atomuhr, weil die sind doch relativ kompliziert und groß und es gibt noch andere Atome, die man für sowas benutzen kann. Und das Einfachste, das sind sogenannte Rubidiumnormale. Also Objekte, wo man halt ein Rubidiumatom hat, wo man dann eben ungefähr das Gleiche macht. Dazu komme ich gleich. Jetzt zeige ich euch erst einmal, was Sie so einen Roundschweig haben. Das ist eine Atomuhr nochmal als Foto. Kann man auch alle paar Jahre mal besichtigen, wenn die PTB mal wieder tagt, der auf den Tür hat, falls das nochmal wieder passieren sollte. Das ist im Moment nicht so ganz klar. Okay, was ist ein Rubidiumatomuhr? Im Prinzip hat man hier das Gleiche. Ja, hat Rubidiumatome, ich kann das mal kurz zeigen. Im Prinzip hat man dann so ein Glasgefäß. Wer sich das genau angucken möchte, wir haben davon noch verschiedene. Nach dem Vortrag kann man einfach zu uns kommen. Können wir das nochmal genauer erklären. Aber das ist im Prinzip ein Glasbehälter, in dem das wurde evakuiert. Das heißt, der Druck da drin ist sehr niedrig. Und dann gibt es die Rubidiumatome, die jetzt im festen Zustand dran sind, die werden dann erwärmt. Und dann wird eben Licht mit einer ganz bestimmten Frequenz ausgesendet. Also man hat dann links die Lampe auf dem Bild. Da kommt dann ganz viel Licht aus verschiedenen Wellenlängen raus. Das wird dann eben im Fehlteil gefiltert, dass nur das rauskommt, was man haben möchte. Also ungefähr. Und das Ganze kommt dann eben in die Rubidiumkammer, das Licht. Und dann guckt man nach, ob es absorbiert wird oder nicht. Und dann muss man eben diese Frequenz nachstellen. Also im Prinzip das Gleiche, nur die technische Umsetzung ist anders. So, gibt es dazu Fragen? Habt ihr alles verstanden? Ja? Also die Frage war, bei welcher Temperatur das Rubidium verdampft? Und ich habe keine Ahnung. Ja, also die Frage war, dass in der Folie jetzt nicht irgendwo drin steht, dass die Frequenz verändert werden würde, sondern noch ein Magnetfett angezeichnet ist. Wenn man genau hingucken sieht man schon, dass da auch eine Frequenz im These ist, die den Regelkreis schließt. Das Magnetfett ist bei Atomuern nötig, um einen ganz bestimmten Elektronenübergang herzustellen. Also um die Energieniveaus einzustellen, zwischen denen die Elektronen herspringen soll. Also beim Thesium war das ja dieser Feinstrukturübergang. Feinstruktur heißt, das ist ein quantummechanischer Übergang des Spins in Magnetfeldern. Aber da will ich eigentlich nicht so genau drüber eingehen. Da kann man vielleicht später nochmal drüber diskutieren. Also die Frage war, ob in jedem Mikrowellenherd ein Magnetron drin ist? Ja, soweit ich falle, aber das ist auch eine andere Frequenz und das ist wahrscheinlich auch das Einfachste. Das heißt aber nicht, dass es die Einziehgemöglichkeit des Mikrowellen zu erzeugen. Also die Frage war, woher der Regelkreis weiß, ob die Frequenz zu hoch oder zu niedrig ist? Ja, das ist eine sehr gute Frage. Weil wenn man sich das einfach nur vorstellt, dass die ein bisschen verschoben ist, dann werden halt viel weniger absorbiert und so weiter. In der Tat werden natürlich auch Fotos absorbiert, die ein bisschen daneben liegen, weil die Atome sich natürlich bewegen und dann die Frequenz sich auch ändert, wie absorbiert werden kann. Also wie das bei dem Rubidium ist, weiß ich jetzt nicht so genau. Ja, also die Aussage war, dass das im Photosensor gemessen wird, was man bekommt. Aber wenn man jetzt sagt, es ist knapp daneben, dann ist ja eigentlich egal, je weiter es daneben ist, desto unpassender es ist. Aber wenn es nur knapp daneben ist, dann ist es ja bei plus 10 oder minus 10, kommt hier im Prinzip gleich viel Intensität an. Das war das Verständnisproblem, was der Frage zugrunde liegt. Und da hilft die Aussage Photosensor nicht mehr. Also ich würde tendenziell sagen, wenn man dann die Frequenz wieder ändert, dann kriegt man gerade die Enden und dann sieht man wieder, ob die richtige oder die falsche Richtung geändert hat. Und dann kann man das wieder korrigieren. Gibt es weitere Fragen? Gut, dann kommen wir erstmal zur technischen Umsetzung unserer Atomuhr. Hallo? Ja, besser. Ja, jetzt ein bisschen zu der technischen Seite. Das haben wir gelehrt, wie das Prinzip funktioniert. Für die Techniker unter uns, es ist alles viel einfacher, weil es gibt schon Leute, da kommt einfach nur eine Frequenz raus. Und der ganze Rest passiert in einem Metallkästchen. Das wird warm und die Frequenz kommt raus. Super praktisch. Das reicht uns aber noch nicht für sowas, was wir als Stratum 0 für ein NDP-Zeitserver brauchen. Wir haben halt die Frequenz, aber wir haben noch keine Uhrzeit. Insofern brauchen wir einmal die genauen Zeitpunkte und so erst mal genau einstellen zu können. Wie gesagt, die stabile Frequenz, die wir aus dem Rubidium normal kriegen. Zähle ich mir erstmal ein bisschen was, wie wir die Uhr genau stellen können. Das ist ziemlich praktisch. Da gibt es das GPS. Man benutzt jeder in seinem Handy zum Navigieren. Damit das aber funktioniert, braucht das GPS auch eine sehr, sehr präzise Uhrzeit, also der GPS-Empfänger. Im Prinzip, das Erste, was der GPS-Empfänger macht, ist selber seine Urstellen. Damit kann er dann messen, wie lange die Signale von allen GPS-Satelliten unterwegs waren. Darüber hatte die Entfernung zu den Satelliten. Er weiß, weil die Satelliten ihm das sagen, wo die Satelliten auf der Bahn sind. Damit kann er seine eigene Position bestimmen. Also braucht man einen speziellen GPS-Empfänger, der für die Zeitmessung besonders optimiert ist. Gibt es ein paar verschiedene, relativ günstigen, denen man auch so einfach kaufen kann. Das ist einer von U-Blocks, nennt sich Lea 6T, kann man dann bei eBay immer gucken. Ist ganz interessant, weil die ganzen Drohnen-Bastler benutzen solche Empfänger, um damit differential GPS-gesteuerte Drohnen zu fliegen. Insofern sind die sehr günstig geworden. Kann man irgendwie direkt aus China bestellen, kostet, glaube ich, 20, 30 Euro oder so was. Und die haben halt einen Ausgang, wo sie ein Zeitsignal rausgeben, was genau auf die offizielle Definition der Sekunde synchronisiert ist. Also am jeden Sekundenanfang gibt es halt eine Flanke auf einem Ausgangspin von 0 auf 3,3 Volt und ein paar 100 Millisekunden später gehe ich wieder zurück. Und beim nächsten Anfang der Sekunde gibt es wieder diese steigende Flanke. Das kann man auch programmieren, kann man auf andere Frequenzen einstellen, aber das ist eigentlich das, was wir erst mal brauchen. Unzusätzlich über USB- oder Serialistisch-Mitstille kriegt man halt diese üblichen GPS-Status-Meldung, wo drin steht, welcher Satelliten empfängt da gerade und auch, ja, was ist das Datum, was ist gerade die aktuelle Sekunde, die jetzt demnächst durch diese Taktflanke signalisiert wird. So, diese beiden Signale brauchen wir dann. Ja, das eine, was wir jetzt haben, schließlich diesen Empfänger-Anlinus-Rechner an, der weiß erst mal ungefähr, wie spät es ist, welches Datum es ist über die NMEA-Signale, also die GPS-Ausgaben. Das ist aber, da es über USB läuft, alles beziehungsweise viel Verzögerung versehen, die Verzögerung ändert sich dauernd. Das taugt relativ wenig, um genaue Zeit damit zu messen. Insofern, wie gesagt, benutzen wir dieses Rechtecksignal, das nennt sich Pulse per second, also ein Puls pro Sekunde, wie gesagt, auf OTC synchronisiert. Und im Linux gibt es dafür praktischerweise schon ein komplettes Framework für. Man muss ihm nur sagen, auf welchem GPU Open seines kleinen Linux-Rechners man dieses Signal angeschlossen hat. Und dann gibt es halt schon fertigen Treiber dafür, der einem das Signal dann jedes Mal, wenn es auftritt, im Size-Stempel dafür generiert, mit der Uhr, die das Linux-System selber führt. Wir haben halt genaue Zeitstempel für diese Signale. Die Gnauigkeit geht da so in Bereich von 10 Mikrosekunden, 50 Mikrosekunden. Wenn wir ein bisschen mehr Aufwand treibt, auch noch ein bisschen genauer. Die andere Seite, die ich vorhin gesagt habe, ist die Frequenz aus diesem Rubisium-Physics-Package, was wir halt haben, was eigentlich für GPS, für GSM-Basistationen gedacht war. Da auch verwendet drin wird, zumindest früher. Wir haben gebraucht das gekauft, gibt es auch auf eBay, was haben wir bezahlt, 80 Euro oder sowas. Das lief halt 10 Megahertz. Damit können wir direkt aber auf unserem Linux-System nicht so viel angefangen. Eine Variante, die man machen kann, ist halt da ein Timer anzuschließen, der tatsächlich jede Schwingung davon zählt und diesen Timer regelmäßig abzufragen. Es gibt aber auch eine Variante, wie man sich ein bisschen einfacher machen kann, weil jedes Linux-System oder jeder Computer hat halt irgendwo eine Taktquelle, die das gesamte System mit Takt versorgt. Üblicherweise ist das irgendwie ein Quarz. Gibt es halt den 20 Megahertz, 24 Megahertz, 25, 26 Megahertz, je nachdem, was man für ein System hat. Wir haben uns ein Beaglebone ausgesucht. Das will da 24 Megahertz haben. Das ist üblicherweise einfach der Quarz, der da aufgelötet ist. Den haben wir abgelötet und dann führen wir extern diesen Takt zu. Haben wir noch eine Komponente, die halt diese 10 Megahertz in 24 Megahertz umwandelt, das genanntes Face Locked Loop. Das heißt, da ist auch wieder ein Regelkreis drin, der die praktischen Schwingkreis die ganze Zeit nachregelt, dass man ein bestimmtes eingestelltes Verhältnis von Eingangstakt zu Ausgangstakt passt. Stellt man halt auf 2,4 Fach ein, gibt man 10 Megahertz rein, kommt hinten 24 Megahertz raus und das ist auch so, dass es sich dabei nicht verzählt. Das heißt, wenn die 10 Megahertz am Eingang genau sind, dann sind auch die 24 Megahertz genau. Da hat der Jochen dafür uns eine kleine Platine gebaut, wo wir das angeschlossen haben und da kommt dann genau das Richtige raus für unser Beaglebone. Damit betreiben wir praktisch unser Linux-System so, dass es sein Systemtakt nicht vom Quartz bekommt, sondern von diesem Rubidium normal und damit ein extrem stabilen Systemtakt hat. Das ist auch die Zeit, die das Linux-System einfach so, wenn man auf der Kommando-Zeile Date eingibt, das ist diese Systemzeit. Die wird halt vom Linux-Körner gepflegt. In der Hardware ist dafür ein Timer, der diese PLL zählt. Und alle paar Millionen-Tagzyklen gibt es ein Interupt, interne Zähler werden in der Software hochgezählt und damit kriegt man halt seine Systemzeit. Ja, bei dem Beaglebone nicht, das hat als Möglichkeiten, die Frage war, ob man das Beaglebone nicht auch mit den 10 MHz direkt betreiben könnte. Es gibt sicherlich andere Systeme, mit denen das geht. Bei dem Beaglebone gibt es nur die Möglichkeit 19,24, 25 oder 26 MHz. Das ist in dem System so vorgesehen. Da sind anscheinend die Toleranzen in dem Chip nicht so, dass man das auch mit 10 MHz betreiben könnte. Also wir haben ein bisschen mit rumgespielt, mit anderen Frequenzquellen. Man kann es auch noch mit 20 oder so betreiben. Das geht auch noch. Dann zählt halt die Zeit ein bisschen langsamer. Aber mit 10 MHz ging es nicht mehr stabil. Das ist nochmal dasselbe Bild, was wir vorhin hatten. Mit ein bisschen Beschriftung. Das ist das Rubidionormal, wo diese Glaszelle drin ist, die wir vorhin gesehen haben. Das wird beheizt. Und hat halt hier in der Stelle einfach diesen 10 MHz Ausgang, der auf diese PLL geht. Das ist einfach ein einzelner Chip drauf, der halt diese Umwandlung macht. Und das geht dann rüber ans Beaglebone, wo halt ein Stecker aufgelötet ist, der statt dem Quarz dann die 24 MHz einspeist. Dann das erwähnte Drohnengehäuseverpacktes GPS-Empfänger aus China. Macht auch noch ein paar Probleme, aber funktioniert das mal so. Und zwei Netzteile, die einfach die richtigen Spannungen liefern. Weil dafür, also dieses Rubidionormal braucht einmal 5 Volt, einmal 15 Volt und auch gar nicht so wenig Strom. Das heißt so, dass einfache USB-Netzteil talkt da nicht mehr. Zu dem Aufbau, wo wir das Bild noch da haben, vielleicht dazu noch fragen. Also außen am Gehäuse, so wie es jetzt auf dieser Metallplatte... Sorry. Die Frage war, wie heißt das Rubidium? So innen drin weiß ich es nicht. Da weiß Jochen vielleicht mehr, aber das Gehäuse ist, so wie es jetzt auf der Metallplatte ist, wird es ungefähr so 40 Grad warm. Also ist relativ unproblematisch. Ja, noch eine Frage. Ja, so. Wir haben jetzt im Prinzip ein Linux-System, was ein sehr stabiles Systemtag hat, wo man das die Zeit messen kann. Wir haben angeschlossen per USB den GPS-Empfänger, der seine Zeitsstempel per Textprotokoll überträgt und diesen Puls per Second-Eingang. Und das führen wir alles zusammen über einmal den GPS-Diemen, der diese Textnachrichten auswertet und dafür Zeitsstempel dem Rest des Systems zur Verfügung stellt. Also die Position, die aus dem GPS rausfällt, interessiert uns gar nicht, sondern nur die Zeitsstempel. Diese Zeitsstempel werden weiterverwendet vom NTP-Die, also der das NTP, also Network Time Protocol, implementiert. Damit stellt er erst mal grob seine Uhr, sodass man auf der richtigen Sekunde an sich ist, damit man diese Puls per Second-Flanken richtig zuordnen kann. Und wenn das erst mal stabil ist, dann wechselt er darauf, dass er die Zeitsstempel dieser PPS-Flanken benutzt. Und damit kommen Anhalt, wenn man das über mehrere Stunden laufen lässt oder vielleicht sogar mehrere Tage näherter sich halt statistisch immer mehr der tatsächlichen UDC-Zeit an. Ja, das ist im Prinzip mein technischer Teil. Ich könnte auch nochmal kurz mich auf die Uhr einloggen. Also, wenn das Netz jetzt tut, sonst müsste ich mich ärgern. Das ist jetzt im Prinzip die Statusanzeige von dem NTP. Da läuft im Hintergrund schon seit einigen Stunden der NTP-Diemen das GPS. Und ja, so kann man es lesen. Genau, das ist im Prinzip die ersten paar Zeilen. Es sind einfach andere Systeme im Internet, die auch NTP betreiben. Zwei Systeme von der PTB, die hier auch als Stratum 1 gekennzeichnet werden, die also selber direkt an der Atomo hängen, dann das Signal, was der GPS-Diemen aus den Statusnachrichten des Empfängers 24 MHz bekommen sollten. Und ja, es braucht halt noch eine Weile, bis es dann wirklich sich darauf eingestellt hat. Und aus diesen Werten rechnet alles ein geschätzten Fehler, aus wie falsch oder in welcher Größenordnung der Fehler der aktuellen Systemzeit noch liegen soll. Insofern, so wie es jetzt gerade oben neben dem Noctisch läuft, schätzt es ein Fehler von vier Mikrosekunden an. Ja, das System könnt ihr per NTP erreichen hier im lokalen Netz. Könntest auch euch gerne nochmal anschauen nach dem Talk, können wir auch noch gerne zusammen hoch gehen und dann können wir uns das direkt auf den Tisch anschauen. Habt ihr noch Fragen? Ja, da würde ich nicht drauf werden. Also die Frage war, ob ich mich drauf verlassen würde, dass das mit der Schaltsekunde jetzt im Sommer klappt. Also für die Leute, die es noch nicht wissen, Anfang Juli, glaube ich, ist eine Schaltsekunde, die eingefügt wird. Also weil die Erde mal wieder ein bisschen langsamer war, ist die echte Sekunde, muss eine eingefügt werden, damit es wieder so passt, dass die Sonne oben ein Hüme steht. Und das wird halt regelmäßig durch Schaltsekunden gemacht. Die sollten möglichst auf der gesamten Erde gleichzeitig eingefügt werden, damit man sich einig bleibt, darüber wie spät es ist. Und NTP hat da einige Probleme mit, die arbeiten aber gerade daran, dass das besser funktioniert. GPS zum Beispiel, sagt die jetzt schon an, dass eine Schaltsekunde ansteht, damit alles mitbekommen. Das DCF 77 Signal sagt das irgendwie kurzfristig voran, dass es eine 60. Sekunde gibt. Das heißt aber immer noch nicht, dass das Linux-System, auf dem das läuft, damit richtig klar kommt. Also den Fehler, den es letztes Mal gab, dass sich da reihenweise Rechner einfach aufgehängt haben und komplett alle CPU verbraucht haben. Das ist auf jeden Fall gefixt. Es gibt auch Testtools, womit man praktisch alle 10 Minuten eine Schaltsekunde einfügen kann und es funktioniert robust. Interessanterweise wird die aber gar nicht angezeigt. Man hat einfach zweimal eine 59. Sekunde. Das hängt sehr davon ab, was du für Software einsetzt. Weil die meiste Software nicht mit Sekunde 60 klarkommt, was die Schaltsekunde wäre, tut der Linux können einfach so, als gibt es zweimal die 59. Sekunde. Was dann wieder andere Software verwirrt, aber da gibt es anscheinend keine gute Lösung für. Also die Frage war, ob wir durch die genaue Zeitmessung die Abschreckung des zivilen GPS-Signals sehen können. Ja, also mittlerweile, also es gab ja früher mal dieses Selective Availability, das ist schon lange, lange aus. Es gibt bei GPS andere Frequenzen, die halt eine genaue Positionsmessung erlauben. Das hat aber relativ wenig Einfluss auf das Zeitmessen vom GPS. Uns geht es bei dem GPS auch nicht so sehr darum, die aktuelle genaue Frequenz zu haben, sondern langfristig unsere Uhr zu stabilisieren. Das heißt, die kurzfristige Genauigkeit haben wir durch das Robidium und dann geht es eher darum, über Tage, Stunden, Monate den Fehler, den auch das Robidium immer noch hat, weil es halt keine Cesium-Uhr ist, den wieder auszugleichen. Wobei der, habe ich vorhin mal nachgerechnet, ungefähr in 300 Jahren eine Sekunde wäre, wenn man halt nicht nachregelt. Ja. So weit haben wir es noch gar nicht laufen lassen. Die Frage war, was wir mit den weiteren Sekunden Timestamps tun, nachdem die Uhr einmal gestellt ist. Also so wie NTP funktioniert, benutzt ihr das die ganze Zeit, um die Zeit nachzuregeln? So ist es im Moment bei uns aufgesetzt. Wir haben es jetzt noch nicht irgendwie mal einen Tag lang einlaufen lassen und dann das GPS abgezogen. Aber im Prinzip sollte dann halt das NTP aufhören, die Zeit zu verstellen, weil es halt einmal eingeregelt ist und dann in Zukunft ja die nächsten 300 Jahre die halbwegs akkurate Zeit liefern. Ja, also die Frage war, ob GPS an sich überhaupt die Schaltsekunde benutzt. Also die Welt hat glaube ich irgendwie viel zu viele verschiedene Zeitsysteme. Das, was man üblicherweise irgendwie auf das Linux-System kennt, ist das ODC, was halt sozusagen die Schaltsekunden schon eingerechnet bekommt. GPS ist eins, das hat keine Schaltsekunde, das läuft einfach jede Sekunde, eine Sekunde weiter, zählt halt einfach die Sekunden seit, das GPS-System eingeführt wurde und es sendet mit wie groß der Offset zwischen UDC und der GPS-Zeit ist. Und diese Informationen bekommt man halt auch mit den Statusnachrichten, die aus dem GPS rauskommen. Das heißt, damit kann man dann, wenn das GPS-Hals eine eigene Zeit ausgibt, die entsprechende NTP-Zeit daraus berechnen. Ja, noch eine Frage? Also die Frage ist, warum wir die erste Einstellung über das GPS und nicht über NTP machen. Der Grund liegt daran, dass wir durch dieses GPIO-Signal mit diesem Pulse per second, da können wir sehr genau messen, wann das Signal an dem System ankommt. Das ist bei Netzwerkpaketen, die über das Internet gehen, wo halt mal andere Traffic auch dazwischen ist, ist das wesentlich schwieriger und die Zeitschwankungen sind wesentlich größer. Also das ist auch das, was man hier sieht. Der Jitter, das ist die Abweichung oder wie stark von Zeitstempel zu Zeitstempel das schwankt, der Abstand dieser Zeitstempel. Ja, bei diesem PPS-Signal sind es im Bereich von Mikrosekunden, wobei das halt Messunnauigkeit ist, dass der GPS-Empfänger selber ist noch deutlich genauer. Und das, was halt über das Netzwerk geht, das liegt halt schon bei einem recht großen Bruchteil, eine Millisekunde. Das ist halt eine Genauigkeit, die man anders sonst nicht rausbekommt. Die Frage war, warum wir nicht die DCF-77 benutzen. Ja, kann man auch machen, gibt auch Leute, die das tun. Die Empfänger sind etwas günstiger, aber es ist nicht ganz so einfach, diese Sekundenanfänge mit so hoher Genauigkeit zu bekommen, wie man das beim GPS bekommen kann. Also alleine schon die Entfernung zum Sender in Mainz muss man dann genau ausrechnen. Das sind halt alles Sachen, die der GPS-Empfänger schon automatisch macht. Also der Einwurf gerade von Jochen, 20 Millisekunden Genauigkeit bei DCF-77 und 20 Nanosekunden bei GPS. Ja, also der Einwurf war, dass man das in Software eh nicht so genau hinkriegt. Stimmt natürlich. Man kann das auch ein bisschen weitertreiben, als wir das jetzt hier gemacht haben mit dem GPIO-Eingangssignal. Man kann den Systemtimer, der in dem System läuft, so benutzen, dass er tatsächlich in Hardware-Zeitstempel generiert, wenn das reinkommt. Und dann hat man halt schon eine Genauigkeit von diesen 24 Mhz, mit denen er läuft. Also das ist das dann 40 Nanosekunden. Ja, der Einwurf war, dass Biegelbund hat auch einen Echtzeitprozessor. Ja, hat es, aber für den Einsatzwerk bringt das nichts. Ich glaube, da drüben war noch eine Frage. Ich glaube, da kannst du mehr zu sagen. Also theoretisch gesehen können wir das machen? Ja, also die Frage war, ob wir nicht einfach zur PTB gehen können mit unserer Atomo und direkt mit dem Cesium vergleichen können. Das Problem ist, wir haben leider keinen Anschluss für die Cesiumatomo und unseren Biegelbund ran. Aber sonst können wir das, ja. Also die Frage war, was man für einen Anschluss bräuchte, damit das geht. Da müsste ich erst nochmal nachfragen. Ja, also die Frage ist nach der Frequenz, die beim Rubidium zum Regeln des Schwingkreises benutzt wird. Weiß ich nicht. Jochen sagt 6,8 Gigahertz. Also Jochen hat uns mit der technischen Umsetzung auf jeden Fall sehr geholfen. Sicherlich wenn ich noch mehr Arbeit reingesteckt, als wir beide hier. Ja, vielleicht noch zu der physikalischen Seite fragen. Wir haben noch genug Zeit. Ja, also die Frage war, nach der Zeitsynchronisierung der Atomohren untereinander, weil so weit ich weiß, ist nämlich die Zeit, die zumindest in Mainz mit dem DCF 77 gesendet wird, kommt nicht nur aus Braunschweig. Na ja, also die Atomohren sind, also man hat Kabel gelegt zwischen den einzelnen Nationalinstituten um die zu synchronisieren. Das Problem ist natürlich über so lange Strecken, hat man auch große Verluste. Aber ja, im Moment benutzt man Kupferkabel für die Zeitsynchronisation und das funktioniert natürlich nicht irgendwie über Netzwerk oder so, sondern komplett analog, weil die Genauigkeit von dem CSIUM, das hat ja irgendwie 9 Gigahertz. Er tut gerade irgendwie ausgerechnet, das entspricht irgendwie so und so in so vielen Nanosekunden. Die Uhren sind tatsächlich noch viel, viel, viel genauer wie man eben auch die genauen Wellenform sich angucken kann. Und das kann man eben, wenn man das analog überträgt, tatsächlich auch sehen, über die Kupferkabel, wobei man, wenn man genauer werden möchte, braucht man Glasfasern, sodass man dann die Zeitsignale über die Glasfasern schickt. Die sind allerdings noch nicht über die gesamte Welt so verteilt zwischen den Nationalmetrologie-Instituten, dass man das schon darüber machen kann. Aber das wird im Moment aufgebaut. Also da hat man dann im Prinzip, schickt man einen Puls durch die Glasfaser, beziehungsweise die ganze Zeit das Zeitsignal und man kompensiert dann die ganze Zeit die Erwärmung von der Glasfaser oder die Vibration und so weiter. Das misst man alles und trägelt dann das Signal wieder zurück und kann das dann vergleichen. Und man möchte eigentlich auch gerne irgendwie, wenn man jetzt die neue Generation der Atomuhren hat, die so bauen, dass die Portable sind, dass man damit rumlaufen kann, um die Dinger wirklich direkt nebeneinander zu stellen. Das ist im Moment schwierig. Aber die Genauigkeit der neuesten Generation ist so groß, dass man Meterhöhenunterschied schon im Zeitsignal messen kann aufgrund der allgemeinen Relativitätstheorie. Also das ist schwierig mit der Synchronisation, weil eben die Höhe tatsächlich irgendwann relevant ist. Ich wollte nur kurz was hinzufügen. Und zwar auf Hawaii gibt es einen Uhrenhersteller, der baut Armand-Uren, potten hässlich, aber sie enthalten eine winzige Atomuhre. Der Einwurf war, wie ist die Batterielaufzeit? Also vielleicht noch eine Anmerkung dazu. Werden gerade gesagt Relativitätstheorie. Man kann sich das immer schwer vorstellen, was das für Auswirkungen hat. Bei dem GPS-System, dadurch, dass halt die GPS-Athlete selber auch Atomuhren haben an Bord, damit sie halt so genau die Zeit auch senden können, mehrere sogar aus Ausfallsicherheitsgründen, damit man tatsächlich damit navigieren kann, muss halt in diesen GPS-Algorithmen schon berücksichtigt sein, dass sich die Uhren bewegen, dass dort oben die Gravitation schwächer ist. Und insofern ist das ein sehr schönes Beispiel, wo man sehen kann, dass man halt die Formeln, die aus der allgemeinen Relativitätstheorie rausfallen, dass die praktische Anwendung haben in Geräten, die fast alle von uns in der Tasche mit sich herum tragen. Damit auch die Position. Die Zeit ja nun nicht mehr in den Südmitglied zu zählen. Es kommt gerade eine kleine Diskussion zustande. Wir können uns gerne oben am Noctisch noch mal in Detail darüber unterhalten. Ja, haben wir noch weitere Fragen? Sonst, ich glaube, dann haben wir es. Also, die Frage war, ob wir uns dauerhaft an das GPS koppeln wollen, weil man ja nicht weiß, inwiefern man dem in Zukunft vertrauen kann. Ich glaube, konkrete Pläne haben wir noch nicht. Wenn wir das irgendwie hinkriegen, dass wir zur PDB fahren, sie damit mal zu kalibrieren, ist das sicherlich eine gute Möglichkeit. Sonst, wenn wir das mal eine Weile getestet haben und uns sicher sind, dass das Setup so wie es jetzt ist, robust funktioniert, können wir das GPS auch einfach abziehen und zumindest die nächsten 30 Jahre erst mal so laufen lassen. Also, der Einwurf war, es gibt auch Satelliten-Navigationsempfänger, die halt nicht nur GPS benutzen, sondern auch GLONASS-Galileo und so weiter. Die gibt es zwar mit der Weile, aber auf meiner Suche nach bezahlbaren, tatsächlich kaufbaren Empfänger habe ich leider noch keine gefunden, die tatsächlich auch die nötigen Signale rausliefern. Ja, sonst können wir die Zeit im Prinzip auch noch nutzen, wenn keine weiteren Fragen sind. Einfach die Leute, die sich das in echtem anschauen wollen, gehen wir zusammen hoch zu der Uhr, so wie sie da auf dem Tisch liegt. Copyright WDR 2021