Quelle: Jet Propulsion Laboratory, 28. April 2026

Dieser Prototyp erreichte Leistungswerte, die über denen der leistungsstärksten Elektroantriebe aller derzeitigen Raumfahrzeuge der Behörde liegen. Wertvolle Daten aus dem ersten Zündversuch dieses Triebwerks werden in eine bevorstehende Testreihe einfließen.

„Bei der NASA arbeiten wir an vielen Dingen gleichzeitig, und wir haben den Mars nicht aus den Augen verloren. Die erfolgreiche Leistung unseres Triebwerks in diesem Test zeigt echte Fortschritte auf dem Weg dahin, einen amerikanischen Astronauten auf den Roten Planeten zu schicken“, sagte NASA-Administrator Jared Isaacman. „Dies ist das erste Mal in den Vereinigten Staaten, dass ein elektrisches Antriebssystem mit einer so hohen Leistung von bis zu 120 Kilowatt betrieben wurde. Wir werden weiterhin strategische Investitionen tätigen, die diesen nächsten großen Sprung vorantreiben werden.“

Während fünf Zündvorgängen glühte die Wolframelektrode in der Mitte des Triebwerks hellweiß und erreichte Temperaturen von über 2.800 Grad Celsius. Die Arbeiten wurden im Electric Propulsion Lab des JPL durchgeführt, wo sich die Vakuumanlage für verdampfbare Metalltreibstoffe befindet – eine einzigartige nationale Einrichtung für die sichere Erprobung von Elektrotriebwerken, die Metalldampf-Treibstoffe bei Leistungen bis in den Megawattbereich nutzen.

Inbetriebnahme

Elektrische Antriebe verbrauchen bis zu 90 % weniger Treibstoff als herkömmliche chemische Raketen mit hohem Schub. Aktuelle elektrische Triebwerke, wie jene, die die Psyche-Mission der NASA antreiben, nutzen Solarenergie, um Treibstoffe zu beschleunigen, und erzeugen so einen geringen, kontinuierlichen Schub, der im Laufe der Zeit hohe Geschwindigkeiten erreicht. Das NASA JPL testet derzeit ein mit Lithium betriebenen magnetoplasmadynamischen (MPD) Triebwerk, eine Technologie, die seit den 1960er Jahren erforscht wird, aber noch nie im Einsatz war. Der MPD-Motor unterscheidet sich von bestehenden Triebwerken dadurch, dass er hohe Ströme nutzt, die mit einem Magnetfeld interagieren, um Lithiumplasma elektromagnetisch zu beschleunigen.

Während des Tests erreichte das Team eine Leistung von bis zu 120 Kilowatt. Das ist mehr als das 25-Fache der Leistung der Triebwerke von Psyche, das derzeit über die leistungsstärksten elektrischen Triebwerke aller NASA-Raumsonden verfügt. Im Vakuum des Weltraums beschleunigt die sanfte, aber konstante Kraft, die die Triebwerke von Psyche im Laufe der Zeit liefern, die Raumsonde auf 200.000 Kilometer pro Stunde.

„Die Entwicklung und der Bau dieser Triebwerke in den letzten Jahren waren eine lange Vorbereitung auf diesen ersten Test“, sagte James Polk, leitender Wissenschaftler am JPL. „Das ist ein großer Moment für uns, denn wir haben nicht nur gezeigt, dass das Triebwerk funktioniert, sondern auch die angestrebten Leistungswerte erreicht. Und wir wissen, dass wir über einen guten Teststandort verfügen, um die Herausforderungen der Skalierung anzugehen.“

Übergang zu Elektroantriebstechnik

Um den Test zu beobachten, spähte Polk durch eine kleine Öffnung in die 8 Meter lange, wassergekühlte Vakuumkammer. Im Inneren sprang der Antrieb an, wobei seine düsenförmige Außenelektrode glühend hell leuchtete und eine leuchtend rote Abgasfahne ausstieß. Polk forscht seit Jahrzehnten an lithiumbetriebenen MPD-Antrieben und hat an der Dawn-Mission der NASA sowie an Deep Space 1 mitgearbeitet, der ersten Demonstration elektrischen Antriebs jenseits der Erdumlaufbahn.

Das Team strebt an, in den kommenden Jahren Leistungswerte zwischen 500 Kilowatt und 1 Megawatt pro Triebwerk zu erreichen. Da die Hardware bei so hohen Temperaturen arbeitet, wird es eine zentrale Herausforderung sein, in vielen Teststunden nachzuweisen, dass die Komponenten der Hitze standhalten können. Eine bemannte Mission zum Mars könnte 2 bis 4 Megawatt Leistung benötigen, was mehrere MPD-Triebwerke erfordern würde, die mehr als 23.000 Stunden lang in Betrieb sein müssten.

Lithium-betriebene MPD-Triebwerke haben das Potenzial, mit hoher Leistung zu arbeiten, Treibstoff effizient zu nutzen und einen deutlich höheren Schub zu liefern als derzeit eingesetzte elektrische Triebwerke. In ihrer ausgereiften Form und in Kombination mit einer nuklearen Energiequelle könnten sie die Startmasse reduzieren und die für bemannte Marsmissionen erforderlichen Nutzlasten ermöglichen.

Die seit zweieinhalb Jahren andauernde Entwicklung des MPD-Triebwerks wird vom JPL in Zusammenarbeit mit der Princeton University in New Jersey und dem Glenn Research Center der NASA in Cleveland geleitet. Sie wird durch das Space Nuclear Propulsion-Projekt der NASA finanziert, das seit 2020 ein Programm für nuklear-elektrische Antriebe der Megawattklasse für bemannte Marsmissionen unterstützt, wobei der Schwerpunkt auf fünf entscheidenden Technologieelementen liegt, zu denen auch das elektrische Antriebssubsystem gehört. Das Projekt mit Sitz im Marshall Space Flight Center der Behörde in Huntsville, Alabama, ist Teil des Space Technology Mission Directorate der NASA.

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• Elektrische Antriebe

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Quelle: ESA / Science & Exploration / Space Science / Smile, 2. April 2026

Verfolgen Sie den Start am 9. April ab 08:10 Uhr MESZ live

Steigen Sie direkt bei ESA Web TV oder über den ESA-YouTube-Livestream ein, um den Start live mitzuverfolgen.

Das Programm des Starts läuft von 08:10 bis 09:45 Uhr MESZ. Zu den wichtigsten Ereignissen gehören:

Nach dem Starttag
Nachdem die Vega-C-Rakete „Smile“ in eine kreisförmige Umlaufbahn in 700 km Höhe über der Erdoberfläche gebracht hat, wird das Raumfahrzeug innerhalb von 25 Tagen elfmal seine Triebwerke zünden.
Diese Triebwerkszündungen werden die Umlaufbahn von „Smile“ um die Erdpole schrittweise erhöhen, bis sie eine Höhe von 121 000 km über dem Nordpol und 5000 km über dem Südpol erreicht.

Sobald Smile den endgültigen Orbit erreicht hat, wird das Missionsteam das Raumfahrzeug für die wissenschaftlichen Aufgaben vorbereiten. Dazu gehört neben der Überprüfung, ob alles wie geplant funktioniert, auch das ferngesteuerte Ausfahren des Magnetometerauslegers von Smile, das Öffnen des Verschlusses seiner Röntgenkamera und das Öffnen der Abdeckung seiner Ultraviolettkamera.

Etwa drei Monate nach dem Start wird das Team die ersten Röntgen- und Ultraviolettbilder erhalten und dann endlich mit den wissenschaftlichen Untersuchungen beginnen, für die Smile konzipiert wurde. Die geplante Missionsdauer beträgt drei Jahre.
Bleiben Sie auf dem Laufenden unter esa.int/Smile.

Über Smile
Smile (Solar Wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer) ist eine gemeinsame Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS). Smile wird mithilfe von vier wissenschaftlichen Instrumenten untersuchen, wie die Erde auf den Sonnenwind reagiert. Auf diese Weise wird Smile unser Verständnis von Sonnenstürmen, geomagnetischen Stürmen und der Weltraumwetterforschung verbessern.

Die ESA ist verantwortlich für die Bereitstellung des Nutzlastmoduls von Smile (das drei der vier wissenschaftlichen Instrumente trägt), eines der vier wissenschaftlichen Instrumente des Raumfahrzeugs (den Soft-Röntgen-Imager, SXI), der Trägerrakete sowie der Einrichtungen und Dienstleistungen für die Montage, Integration und Erprobung. Die ESA leistet einen Beitrag zu einem zweiten wissenschaftlichen Instrument (dem Ultraviolett-Imager, UVI) und zum Missionsbetrieb, sobald Smile sich in der Umlaufbahn befindet.

CAS stellt die übrigen drei wissenschaftlichen Instrumente sowie die Raumfahrzeugplattform bereit und ist für den Betrieb des Raumfahrzeugs im Orbit verantwortlich.

Smile ist Teil des „Cosmic Vision“-Programms der ESA und leistet einen wesentlichen Beitrag zur Beantwortung der Frage: „Wie funktioniert das Sonnensystem?“
Weitere Informationen finden Sie unter: https://www.esa.int/Science_Exploration/Smile

Über Vega-C
Die europäische Vega-C-Rakete kann 2300 kg ins All befördern, beispielsweise kleine wissenschaftliche Satelliten und Erdbeobachtungssatelliten. Die 35 Meter hohe Vega-C wiegt auf der Startrampe 210 Tonnen und erreicht die Umlaufbahn mit drei feststoffbetriebenen Stufen, bevor die vierte Stufe mit Flüssigtreibstoff die präzise Platzierung der Satelliten in ihre gewünschte Umlaufbahn um die Erde übernimmt.

Als Ergänzung zur Ariane-Familie, die alle Arten von Nutzlasten in ihre gewünschten Umlaufbahnen befördert, gewährleistet Vega-C, dass Europa über einen vielseitigen und unabhängigen Zugang zum Weltraum verfügt. Die ESA leitet das Vega-C-Programm und arbeitet dabei mit Avio als Hauptauftragnehmer und Konstruktionsbehörde zusammen.

Weitere Informationen finden Sie unter: https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Transportation/Vega/Vega-C

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• SMILE-Mission (ESA/China) auf Vega C

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Quelle: ZARM / News / Forschung für die Handhabung von flüssigem Wasserstoff im Weltraum, 24. März 2026

Wasserstoff und Sauerstoff sind eine der effizientesten Treibstoffkombinationen für moderne Raumfahrtantriebe. Um einen volumen- und massenoptimierten Tank eines Raumfahrzeugs zu realisieren, werden die kryogenen Treibstoffe heruntergekühlt bis sie einen flüssigen Aggregatzustand erreichen. In diesem Zustand besitzt die tiefkalte Flüssigkeit eine höhere Dichte als im gasförmigen Zustand und kann in kleineren, dünnwandigeren Tanks bei annähernd Umgebungsdruck gelagert werden. Die Handhabung der tiefkalten Flüssigkeiten unter reduzierter Schwerkraft stellt die Industrie und die wissenschaftliche Community jedoch vor große Herausforderungen: Bereits kleinste lokale Überhitzungen der Tankwand oder der Leitungen können Dampfblasen entstehen lassen. Der Entstehungsort sind sogenannte Keimstellen auf der mit Flüssigkeit benetzten Innenseite des Tanks.

Dieser Vorgang wird als Blasensieden bezeichnet und kann den thermodynamischen Zustand des Treibstoffs im Tank wesentlich beeinflussen: Die Entstehung und das Wachstum der Blasen führen dazu, dass eine Mischung aus Flüssigkeit und Gas vorliegt, die den Druck im Tank ansteigen lässt und den Dampfgehalt verändert. Es besteht außerdem das Risiko, dass das Ansaugen von Gasblasen, die sich in der Flüssigkeit befinden, den Betrieb des Motors beeinflusst.

Erkenntnisse aus dem Fallturm Bremen

Im Bremer Fallturm konnten die Forschenden die Entstehung und das Wachstum einzelner Wasserstoffdampfblasen gezielt hervorrufen und beobachten. Dabei wurde eine künstliche Keimstelle in Form einer winzigen Kavität im Material erhitzt. Da die Versuche unter reduzierter Schwerkraft erfolgten, ist die Dampfblase am Entstehungsort verblieben und wurde nicht auftriebsbedingt (wie unter Erdschwerkraft) wegbewegt.

Die aufgenommenen Experimentbilder und Messwerte ermöglichen eine Quantifizierung des Blasenwachstumsprozesses. Ein vom Heizer dissipierter Wärmestrom von nur 80 Milliwatt führte bereits zur Aktivierung der künstlichen Keimstelle. Innerhalb von 3,6 Sekunden ist daraufhin eine Dampfblase bis auf einen Durchmesser von etwa vier Millimetern angewachsen. In Verbindung mit den thermischen Randbedingungen liefern die Experimentergebnisse wichtige Daten, um numerische Modelle für das Siedeverhalten von flüssigem Wasserstoff im Weltraum weiter zu entwickeln.

„Unsere Experimentergebnisse tragen wesentlich dazu bei, die thermodynamischen Prozesse in kryogenen Treibstoffsystemen besser zu verstehen“, sagt André Pingel, Leiter der Arbeitsgruppe „Mehrphasenströmungen“.

Die Experimente wurden im Rahmen des bereits abgeschlossenen Vorhabens „Kavitation und Sieden von Methan und Wasserstoff“ (KASIMOFF 2) durchgeführt. Das Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) über das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR e.V.) unter dem Förderkennzeichen 50RL2290 gefördert.

Weitere Informationen

Link zur Publikation: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011227526000536?via%3Dihub

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• Fallturm Bremen (ZARM)

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Quelle: ESA / Science & Exploration / Human and Robotic Exploration, 9. März 2026

Eine Reise durch den Weltraum zu unternehmen, wenn die Wahrscheinlichkeit von Sonnenstürmen und Sonneneruptionen am höchsten ist, erscheint zunächst widersinnig, doch neue Forschungsergebnisse zeigen, dass eine solche Reise gerade dann sicherer ist, wenn die Sonne am aktivsten ist. Die erhöhte Sonnenaktivität fegt die energiereiche Weltraumstrahlung aus unserem Sonnensystem hinaus. Eine bemannte Marsmission während des nächsten Höhepunkts des Sonnenzyklus könnte die Belastung durch schädliche Strahlung im Vergleich zu einer Reise während eines Sonnenminimums möglicherweise um die Hälfte reduzieren.

Strahlungsmessungen des ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) der ESA bestätigen die paradoxe Erkenntnis, dass Reisen während des Sonnenmaximums der beste Zeitpunkt dafür sind. Ein internationales Forschungsteam kam zu dem Schluss, dass eine Besatzung die Hin- und Rückreise ohne Überschreitung der Strahlungsrichtlinien absolvieren könnte. Außerdem lieferten sie Schätzungen zu den Strahlungsdosen, denen eine Besatzung bei verschiedenen Missionsszenarien ausgesetzt wäre.

Strahlungsdosen für Astronauten
Eine der größten Herausforderungen bei der Entsendung von Menschen zum Mars ist ihre Exposition gegenüber Weltraumstrahlung. Ionisierende Strahlung birgt ernsthafte Gesundheitsrisiken, darunter ein erhöhtes Krebsrisiko, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Katarakte. Außerhalb des schützenden Magnetfelds der Erde könnte ein Astronaut auf einer Marsmission Strahlungsdosen ausgesetzt sein, die um ein Vielfaches höher sind als auf unserem Planeten. Die Strahlungsgrenze der ESA für die gesamte Laufbahn eines Astronauten liegt bei 1000 Millisievert, der Einheit für die effektive Dosis, die zu Schäden am menschlichen Gewebe führen kann. Höhere Dosen über kurze Zeiträume stellen akute Risiken dar, während niedrigere Dosen hauptsächlich zu langfristigen Gesundheitsrisiken beitragen.

Frühere Studien haben bereits gezeigt, dass eine Marsmission während eines Sonnenminimums die Strahlungsdosis durch galaktische kosmische Strahlung gefährlich nahe an die ESA-Grenzwerte heranbringen würde. Die neue Analyse erweitert den Umfang anhand von Daten des Liulin-MO-Dosimeters an Bord des TGO und des Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation (CRaTER) an Bord des Lunar Reconnaissance Orbiter über einen Zeitraum von 15 Jahren.

Kein Ort, an dem man sich verstecken kann
Auf dem Weg zum Mond und zum Mars sind Astronauten zwei Hauptquellen kosmischer Strahlung ausgesetzt: galaktischer kosmischer Strahlung und energiereichen Teilchen aus dem Sonnenwind. Erstere entsteht durch energiereiche Ereignisse außerhalb unseres Sonnensystems, wie beispielsweise Supernovae, letztere durch starke Sonneneruptionen. Während solaren energetischen Partikelströmen können sich Astronauten in ihrem Raumschiff in Sicherheit bringen. Diese Stürme sind unvorhersehbar, aber bei ausreichender Vorwarnung und Abschirmung können sich die Besatzungen in „Sturmschutzräume“ zurückziehen – Bereiche mit zusätzlicher Abschirmung. Auf der Internationalen Raumstation suchen Astronauten Zuflucht in den Schlafräumen oder in der Küche.

Es gibt jedoch keinen Ort, an dem man sich vor dem ständigen Beschuss durch galaktische kosmische Strahlung verstecken kann. Diese Teilchen bewegen sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und durchdringen sowohl die Abschirmung von Raumfahrzeugen als auch den menschlichen Körper. Wenn sie gestoppt werden, lösen kosmische Strahlen oft Schauer von Sekundärteilchen aus, die für den Menschen noch schädlicher sein können. Auf der Marsoberfläche wären Astronauten einer um bis zu 60 % geringeren Strahlenbelastung ausgesetzt als während der interplanetaren Reise. Höhlen und Lavaröhren könnten gute Lebensräume sein, um die Strahlenbelastung zu reduzieren.

Beste Reise zum Mars
Die Studie berechnete die Strahlungsdosis für simulierte Marsmissionen unter verschiedenen Sonnenaktivitätsniveaus und für drei Flugbahnen: die energieeffizienteste, aber längste Route, die energieintensivste, aber kürzeste Route und einen Kompromiss zwischen beiden.

Bei allen drei Arten nimmt die kumulative Strahlungsdosis durch kosmische Strahlung in der Nähe des Sonnenmaximums deutlich ab. Eine unruhige Sonne scheint der einzige Trost gegen galaktische kosmische Strahlung zu sein.

Das Team analysierte die Transferbahnen zum Mars in den letzten 60 Jahren und simulierte mit einem mehrschichtigen Wasserball, wie viel Strahlung die Organe im menschlichen Körper absorbieren würden. Schnellere Transferbahnen könnten die Strahlenbelastung um 55 % reduzieren, wenn sie während des Sonnenmaximums statt während des Sonnenminimums zurückgelegt würden, während Missionen mit treibstoffsparenden Flugbahnen eine Reduzierung von bis zu 45 % erzielen könnten.

„Um die Strahlungsgrenzwerte für die gesamte Berufslaufbahn einzuhalten, sollten Missionsplaner bestimmte Transferbahnen und Startfenster sorgfältig auswählen“, sagt Robert Wimmer-Schweingruber, Mitautor von der Universität Kiel, Deutschland.

Der Schutz der Astronauten bei ihren Vorstößen in den Weltraum hat für die ESA höchste Priorität. „Diese Studie hilft uns, die Schwankungen des Sonnenzyklus in klare Ziele für Missionsbahnen und Risikominderung umzuwandeln. Wir können quantifizieren, wie viel wir durch die Wahl eines bestimmten Startfensters und schnellerer Flugbahnen gewinnen können und wann wir noch bessere Abschirmungs- und Betriebskonzepte benötigen, um Marsmissionen wirklich sicherer zu machen“, sagt Anna Fogtman, Leiterin des Strahlenschutzes bei der ESA.

Artikel veröffentlicht in Space Weather am 9. März 2026, „The constraint of crewed Mars missions based on current radiation dose measurements” (Die Einschränkungen bemannter Marsmissionen auf Grundlage aktueller Strahlungsdosismessungen) von Chao Zhang und Forschern der Universität für Wissenschaft und Technologie China, der Universität Kiel in Deutschland und der Universität Michigan, USA.

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• Marsflug, Marsbasis

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Quelle: ZARM. 18. August 2025.

18. August 2025 – Seit Beginn der astronautischen Raumfahrt in den 1960er Jahren gibt es eine Herausforderung, für die es bis heute keine einfache Lösung gibt: die zuverlässige und effiziente Herstellung von Sauerstoff im Weltraum. Auf der Internationalen Raumstation (ISS) übernehmen diese Aufgabe derzeit schwere, wartungs- und energieintensive Systeme – keine ideale Lösung für Langzeitmissionen zum Mond oder Mars. In einer heute in Nature Chemistry veröffentlichten Studie stellt ein internationales Forschungsteam des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen, der „University of Warwick“ und des „Georgia Institute of Technology“ eine bemerkenswert einfache und elegante Alternative vor. Durch den Einsatz von Magnetismus soll die zukünftige Sauerstoffproduktion leichter und nachhaltiger gestalten werden.

Sauerstoffgewinnung im All geschieht meist durch Wasserelektrolyse. Dabei wird Wasser mithilfe von elektrischer Spannung in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. In der Schwerelosigkeit haften die entstehenden Gasblasen jedoch an den Elektroden oder bleiben in der Flüssigkeit „gefangen“ – im Gegensatz zur Erde, wo sie einfach aufsteigen und aus der Flüssigkeit entweichen. Das erschwert die Trennung von Gas und Flüssigkeit erheblich und macht den Prozess deutlich energieintensiver. Um Gase und Flüssigkeit zu trennen, werden auf der ISS derzeit komplexe Systeme aus Zentrifugen mit vielen Bauteilen eingesetzt. Diese Systeme sind jedoch schwer, wartungsaufwendig und verbrauchen viel Energie. Alles das macht sie für künftige Langzeitmissionen ungeeignet, bei denen jedes Kilogramm Equipment beim Start entscheidend ist und jedes Watt Strom im Weltall zählt.

Die Lösung: Magnetismus.

Das internationale Forschungsteam konnte zeigen, dass Magnetfelder die Gasblasen in Schwerelosigkeit gezielt von den Elektroden weglenken und somit die Trennung von Gas und Flüssigkeit deutlich vereinfachen können. Mithilfe von handelsüblichen Dauermagneten entwickelten die Forschenden ein passives System, das die Blasen automatisch zu bestimmten Sammelpunkten leitet – ganz ohne bewegliche Teile oder zusätzlichen Energiebedarf.

Dabei kamen zwei sich ergänzende Ansätze zum Einsatz: Einer nutzt die natürliche Reaktion von Wasser auf Magnetfelder in Schwerelosigkeit, um Gasblasen zu lenken. Der andere erzeugt durch die Wechselwirkung von Magnetfeldern und den bei der Elektrolyse entstehenden elektrischen Strömen eine Drehbewegung in der Flüssigkeit. Diese sorgt dafür, dass sich Gas und Flüssigkeit voneinander trennen, ähnlich, wie bei den mechanischen Zentrifugen auf der ISS, jedoch unter Verwendung magnetischer Kräfte anstelle mechanischer Rotation.

Die heute veröffentlichten Ergebnisse basieren auf vier Jahren gemeinsamer Forschungsarbeit. Álvaro Romero-Calvo vom Georgia Institute of Technology entwickelte bereits 2022 die Grundidee und führte erste Berechnungen und Simulationen durch. Anschließend arbeitete er an der Weiterentwicklung eines Systems, das Wasser mithilfe magnetischer Effekte in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet. Um die Theorie experimentell zu belegen, entwickelten Katharina Brinkert (bis 2024 University of Warwick, jetzt ZARM) und ihr Team spezielle elektro- und photoelektrochemische Versuchsaufbauten für den Einsatz in der Schwerelosigkeit. „Wir konnten zeigen, dass es für die Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff keine Zentrifugen oder mechanische Bauteile braucht – nicht einmal zusätzliche Energie. Das System funktioniert vollkommen passiv und ist sehr wartungsarm“, erklärt Brinkert.

Ömer Akay war für die Durchführung der Experimente im Bremer Fallturm des ZARM zuständig und trug die Ergebnisse für die Veröffentlichung zusammen: „Unsere Elektrolysezellen ermöglichen die Sauerstoff- und Wasserstoffproduktion aus Wasser in Schwerelosigkeit mit einer Effizienz, die der auf der Erde sehr nahe kommt.“

Erfolgreiche Tests in Mikrogravitation

Die Experimente bestätigten, dass magnetische Kräfte die Ablösung und Bewegung der Gasblasen deutlich verbessern und die Effizienz der Elektrolysezellen um bis zu 240 Prozent steigern können. Damit wird ein langjähriges ingenieurtechnisches Problem der Raumfahrt gelöst – und der Weg für leichtere, robustere und nachhaltigere Systeme zur Lebenserhaltung im All geebnet. Als nächster Schritt soll das System auf Höhenforschungsraketen weiter getestet werden.

Das Projekt wird vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der US-Raumfahrtbehörde NASA gefördert.

Weitere Informationen:

Link zur Veröffentlichung: https://www.nature.com/articles/s41557-025-01890-0

Wissenschaftlicher Kontakt:

Katharina Brinkert (Co-Direktorin des ZARM und Leiterin des Forschungsteams „Photoelektrokatalyse”)
katharina.brinkert(at)zarm.uni-bremen.de
Ömer Akay
oemer.akay(at)zarm.uni-bremen.de

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• Fallturm Bremen (ZARM)

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Quelle: ZARM. 18. August 2025.

29. August 2025 – In insgesamt 16 Versuchen wird zurzeit auf der ISS untersucht, wie sich ein Feuer entlang unterschiedlich strukturierter Materialproben in Schwerelosigkeit ausbreitet. Die Forschenden sind insbesondere an der Ausbreitung der Flammen in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration in der Umgebungsluft interessiert – und das hat einen ganz pragmatischen Grund. Für geplante astronautische Raumfahrtmissionen ist vorgesehen, den Luftdruck an Bord zu senken. Das hat zwei Vorteile: Außeneinsätze (EVAs) lassen sich schneller vorbereiten und Raumfahrzeuge können mit geringerer Masse gebaut werden – was Kosten und Treibstoff spart. Bei geringerem Druck muss jedoch der Sauerstoffanteil in der Atemluft steigen, damit die Astronaut:innen noch genug Sauerstoff aufnehmen können – von derzeit etwa 21 % auf bis zu 35 %. Und genau das erhöht das Brandrisiko erheblich.

Unter erhöhter Sauerstoffkonzentration können selbst Materialien, die unter irdischen Umständen als nicht brennbar gelten, in der Schwerelosigkeit Feuer fangen. Hinzu kommt, dass sich Brände deutlich schneller ausbreiten. Diese Erkenntnisse haben die Forschenden bereits durch Schwerelosigkeitsexperimente im Fallturm Bremen gewonnen. Die aktuell laufenden Versuche auf der ISS liefern nun weitere aufschlussreiche und vor allem realitätsnahe Daten, um die Mechanismen der Flammenausbreitung besser zu verstehen und darauf aufbauend Methoden zu entwickeln, um Brände verhindern zu können. Im Vergleich zum Fallturm bietet die ISS deutlich längere Versuchszeiten, sodass dickere Materialproben untersucht werden können. „Die Erkenntnisse aus diesen Experimenten sind essenziell, um das Risiko zukünftiger Raumflüge realistisch bewerten zu können“, sagt Projektleiter Florian Meyer.

Das Projekt wird gefördert durch die deutsche Raumfahrtagentur im DLR (FKZ: 50WM2456).

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• **ISS** <Forschung & Forschungseinrichtungen>

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Quelle: ZARM. 29. April 2025.

29. April 2025 – Einsteins Gravitationsphysik hat die moderne Wissenschaft revolutioniert und zu vielen erfolgreichen Vorhersagen geführt, beispielsweise über Schwarze Löcher, Gravitationswellen und die Entwicklung des gesamten Universums. Allerdings stößt die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) zusammen mit dem Standardmodell der Teilchenphysik auch an ihre Grenzen. Auf der einen Seite gibt es Beobachtungen, wie die beschleunigte Ausdehnung des Universums oder die Bewegung von Sternen am Rand von Galaxien, die nur dann mit den Vorhersagen der Theorie übereinstimmen und erklärt werden können, wenn man annimmt, dass unbekannte Komponenten im Universum existieren, die wir dunkle Energie und dunkle Materie nennen. Andererseits sagt die ART voraus, dass die Gravitationskraft in bestimmten Regionen des Universums unendlich stark wird, sodass es bis heute nicht möglich ist, Einsteins Gravitationstheorie mit allen anderen Kräften der Natur (elektromagnetische Kraft, schwache und starke Kernkraft) in Einklang zu bringen. Beim Verständnis der Gravitation bleiben also viele Fragen offen, die Physiker:innen weltweit dazu antreiben, nach einer Erweiterung oder Modifikation der ART zu suchen, die die bis heute unerklärten Phänomene der Gravitation erklärbar macht.

Gestern ist im „Physical Review D“ die neueste Publikation von Christian Pfeifer und Dennis Rätzel vom ZARM sowie Daniel Braun von der Universität Tübingen erschienen, die sich mit dem Test der ART beschäftigt. Sie schlagen vor, die Eigenschaften der Gravitation mit Teilchen zu testen, deren Geschwindigkeit sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegt. Diese ultrarelativistischen (oder einfach sehr schnellen) Teilchen erzeugen ein Gravitationsfeld, welches ruhende Testteilchen, an denen sie vorbeifliegen, anzieht. Die Bewegung der Testteilchen kann theoretisch vorhergesagt und mit der beobachteten Bewegung verglichen werden, sodass die Testteilchen als Sensoren für die Gravitation genutzt werden können. Das Besondere an dem hier vorgeschlagenen Experiment ist, dass die Gravitationsanziehung, die von den ultrarelativistischen Teilchen erzeugt wird, hauptsächlich durch die sehr hohe Geschwindigkeit – also ihrer sehr hohen kinetischen Energie – und nicht durch die Ruhemassenenergie der Teilchen entsteht. Das Experiment misst also, wie die Gravitation der kinetischen Energie aussieht. Stimmt sie mit den Vorhersagen der ART überein oder gibt es Abweichungen?

Abweichung rechnerisch vorhergesagt

In einem mathematischen Modell, das auf einer Modifikation der ART beruht, haben die Forscher die Beschleunigung des Testteilchens und den Impulstransfer durch die Gravitation der vorbeifliegenden ultrarelativistischen Teilchen rechnerisch vorhergesagt. Die Ergebnisse zeigen, dass es einen Parameterbereich gibt, in dem der vom Modell berechnete Impulstransfer signifikant von den Vorhersagen der ART abweicht. Diese Abweichung nimmt mit steigender Geschwindigkeit des ultrarelativistischen Teilchenstroms zu.

Das Besondere ist, dass dieses Experiment sogar praktisch durchgeführt werden könnte, und zwar mithilfe des Teilchenbeschleunigers LHC (Large Hadron Collider), der von der Europäischen Organisation für Kernforschung CERN bei Genf betrieben wird. Dort werden Protonen auf rund 99,99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Was für das Experiment noch fehlt, sind Testteilchensensoren, die rund um die Beschleunigungsröhre des LHC angebracht werden und auf das Gravitationsfeld der Protonen reagieren. Die technischen Details für die Installation solcher Sensoren werden derzeit untersucht.

Weitere Informationen
Bildquelle: CERN
Publikation: https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.111.084073
ZARM Website: Pressemitteilung

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• Large Hadron Collider

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Ein Statement des Vorstands von Raumfahrer.net e.V.

Quelle: Raumfahrer.net, NASA, Grundgesetz. 14.02.2025

14. Februar 2025 – In einer aktuellen Veröffentlichung vom 10. Januar 2025 berichtet die NASA:

„Wissenschaftler sind zu dem Schluss gekommen, dass der Erwärmungstrend der letzten Jahrzehnte durch wärmespeicherndes Kohlendioxid, Methan und andere Treibhausgase bedingt ist. In den Jahren 2022 und 2023 werden die Kohlendioxidemissionen aus fossilen Brennstoffen auf der Erde einen Rekordanstieg verzeichnen, so eine aktuelle internationale Analyse. Die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre hat sich von den vorindustriellen Werten im 18. Jahrhundert (etwa 278 Teile pro Million) auf heute etwa 420 Teile pro Million erhöht“ (NASA: Steigende Temperaturen: NASA bestätigt 2024 als wärmstes Jahr der Geschichte).

Obwohl diese Veröffentlichung erst wenige Tage alt ist, klingt sie doch wie aus einer anderen Zeit, aus der „Vor-Trump-“ oder „Trump-Zwischenzeit“. Während seiner ersten Amtszeit hat Trump der NASA verboten über den menschengemachten Klimawandel zu berichten. Ähnliches ist für die zweite zu befürchten.

Der menschengemachte Klimawandel wird von der überwältigenden Mehrheit der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bestätigt. Das Jahr 2024 war das wärmste seit Aufzeichnungsbeginn und der Januar 2025 der wärmste je gemessene Januar. Trotzdem scheint die Zunahme von Stürmen, Überschwemmungen und extremen Dürren in der öffentlichen Wahrnehmung kaum eine Rolle zu spielen.

Seit es Raumfahrer.net gibt interessieren wir uns für Technik und Naturwissenschaften. Raumfahrt, Astronomie und Grundlagenforschung treiben uns an. Verein, Forum und Portal widmen sich diesem Themenspektrum nicht nur mit Begeisterung, sondern auch mit verantwortungsvollem Engagement. In unseren Artikeln, Presseveröffentlichungen und Diskussionsbeiträgen achten wir auf Quellen, Sachverstand und Umgangston. Wir sind unabhängig und überparteilich aber wir haben durchaus einen Standpunkt, Verschwörungstheoretikern, Moon-Hoax-Fanatikern und wissenschaftsfeindlichen Haltungen bieten wir keine Plattform. Wir vertrauen der faktenbasierten Wissenschaft, versuchen deren Erkenntnisse weiterzuvermitteln und treten für verantwortungsvollen Umgang mit Mensch und Umwelt ein.

In autokratischen Gesellschaften ist eine freie Meinungsäußerung und eine kritische Berichterstattung nicht möglich. Unsere freiheitlich-demokratische Grundordnung garantiert diese Rechte und für uns sind sie eine Verpflichtung weiterhin für eine faktenbasierte Wissenschaft einzutreten und darüber zu berichten.

Nach unserer Überzeugung ist eine wissenschaftsbasierte, freie Berichterstattung nur in einem demokratischen Umfeld möglich.

Der Vorstand von Raumfahrer.net

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• Faktenbasierte Wissenschaft
• Klimawandel

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Quelle: NASA, Goddard Space Flight Center 10. Januar 2025.

10. Januar 2025 – Washington / Greenbelt – Die globalen Temperaturen lagen im Jahr 2024 um 2,30 Grad Fahrenheit (1,28 Grad Celsius) über der Basislinie der Behörde für das 20. Jahrhundert (1951-1980) und übertrafen damit den Rekord aus dem Jahr 2023. Der neue Rekord kommt nach 15 aufeinanderfolgenden Monaten (Juni 2023 bis August 2024) mit monatlichen Temperaturrekorden – eine beispiellose Hitzestrecke.

„Wieder einmal wurde der Temperaturrekord gebrochen – 2024 war das heißeste Jahr seit Beginn der Aufzeichnungen im Jahr 1880“, sagte NASA-Administrator Bill Nelson. „Zwischen rekordverdächtigen Temperaturen und Waldbränden, die derzeit unsere Zentren und Arbeitskräfte in Kalifornien bedrohen, war es noch nie so wichtig wie heute, unseren sich verändernden Planeten zu verstehen.“

NASA-Wissenschaftler schätzen weiter, dass die Erde im Jahr 2024 etwa 2,65 Grad Fahrenheit (1,47 Grad Celsius) wärmer war als der Durchschnitt in der Mitte des 19. Jahrhunderts (1850-1900). Mehr als die Hälfte des Jahres 2024 lagen die Durchschnittstemperaturen um mehr als 1,5 Grad Celsius über dem Ausgangswert, und der Jahresdurchschnitt könnte mit mathematischen Unsicherheiten zum ersten Mal diesen Wert überschritten haben.

„Das Pariser Abkommen zum Klimawandel sieht vor, langfristig unter 1,5 Grad Celsius zu bleiben. Zum Vergleich: Während der Warmzeiten auf der Erde vor drei Millionen Jahren – als der Meeresspiegel Dutzende Meter höher lag als heute – waren die Temperaturen nur etwa 3 Grad Celsius wärmer als in der vorindustriellen Zeit“, sagte Gavin Schmidt, Direktor des Goddard Institute for Space Studies (GISS) der NASA in New York. „In nur 150 Jahren sind wir auf halbem Weg zum Wärmegrad des Pliozäns.“

Wissenschaftler sind zu dem Schluss gekommen, dass der Erwärmungstrend der letzten Jahrzehnte durch wärmespeicherndes Kohlendioxid, Methan und andere Treibhausgase bedingt ist. In den Jahren 2022 und 2023 werden die Kohlendioxidemissionen aus fossilen Brennstoffen auf der Erde einen Rekordanstieg verzeichnen, so eine aktuelle internationale Analyse. Die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre hat sich von den vorindustriellen Werten im 18. Jahrhundert (etwa 278 Teile pro Million) auf heute etwa 420 Teile pro Million erhöht.

Die NASA und andere Bundesbehörden erheben regelmäßig Daten über Treibhausgaskonzentrationen und -emissionen. Diese Daten stehen im U.S. Greenhouse Gas Center zur Verfügung, einem behördenübergreifenden Projekt, das Informationen aus Beobachtungen und Modellen zusammenführt, mit dem Ziel, Entscheidungsträgern eine zentrale Stelle für Daten und Analysen zu bieten.

Außergewöhnliche Hitzetrends

Die Temperaturen einzelner Jahre können durch natürliche Klimaschwankungen wie El Niño und La Niña beeinflusst werden, die den tropischen Pazifik abwechselnd erwärmen und abkühlen. Der starke El Niño, der im Herbst 2023 einsetzte, trug dazu bei, dass die globalen Temperaturen über die bisherigen Rekordwerte hinaus stiegen.

Die Hitzewelle, die 2023 begann, übertraf laut Schmidt auch 2024 die Erwartungen, obwohl El Niño nachließ. Die Forscher arbeiten daran, die Faktoren zu identifizieren, die dazu beitragen, einschließlich möglicher Klimaauswirkungen des Vulkanausbruchs in Tonga im Januar 2022 und der Verringerung der Umweltverschmutzung, die die Wolkenbedeckung und die Art und Weise, wie die Sonnenenergie in den Weltraum zurückgeworfen wird, verändern kann.

„Nicht jedes Jahr wird Rekorde brechen, aber der langfristige Trend ist eindeutig“, sagte Schmidt. „Wir sehen bereits die Auswirkungen in Form von extremen Regenfällen, Hitzewellen und erhöhtem Überschwemmungsrisiko, die sich weiter verschärfen werden, solange die Emissionen anhalten.

Lokale Veränderungen sichtbar machen

Die NASA stellt ihre Temperaturaufzeichnungen anhand von Daten über die Lufttemperatur an der Oberfläche zusammen, die von Zehntausenden von Wetterstationen gesammelt wurden, sowie anhand von Daten über die Temperatur der Meeresoberfläche, die von schiffs- und bojengestützten Instrumenten erfasst wurden. Diese Daten werden mit Methoden analysiert, die die unterschiedlichen Abstände zwischen den Temperaturstationen rund um den Globus und die Auswirkungen der städtischen Erwärmung, die die Berechnungen verfälschen könnten, berücksichtigen.

Eine neue Bewertung, die Anfang dieses Jahres von Wissenschaftlern der Colorado School of Mines, der National Science Foundation, der National Atmospheric and Oceanic Administration (NOAA) und der NASA veröffentlicht wurde, stärkt das Vertrauen in die globalen und regionalen Temperaturdaten der Behörde weiter.

„Wenn sich das Klima verändert, sieht man das zuerst im globalen Mittel, dann auf der kontinentalen und dann auf der regionalen Skala. Jetzt sehen wir es auf der lokalen Ebene“, sagte Schmidt. „Die Veränderungen, die sich in den täglichen Wettererfahrungen der Menschen zeigen, sind überdeutlich geworden.

Unabhängige Analysen von NOAA, Berkeley Earth, dem Hadley Centre (Teil des britischen Wetterdienstes Met Office) und Copernicus Climate Services in Europa sind ebenfalls zu dem Schluss gekommen, dass die globalen Oberflächentemperaturen für 2024 die höchsten seit Beginn der modernen Aufzeichnungen sind. Diese Wissenschaftler verwenden in ihren Analysen größtenteils dieselben Temperaturdaten, setzen aber unterschiedliche Methoden und Modelle ein. Beide zeigen denselben anhaltenden Erwärmungstrend.

Der vollständige Datensatz der NASA zu den globalen Oberflächentemperaturen sowie Einzelheiten darüber, wie die NASA-Wissenschaftler die Analyse durchgeführt haben, sind beim GISS, einem NASA-Labor, das vom Goddard Space Flight Center der Behörde in Greenbelt, Maryland, geleitet wird, öffentlich zugänglich.

Weitere Informationen über die geowissenschaftlichen Programme der NASA finden Sie hier:

https://science.nasa.gov/earth/

Übersetzung: DeepL.com / Stefan Goth

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• Klimawandel

Der Beitrag Steigende Temperaturen: NASA bestätigt 2024 als wärmstes Jahr der Geschichte erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Autor: Andreas Weise, 6. Dezember 2025.

Fast schon traditionell sind wir auch dieses Jahr mit den Weihnachtsempfehlungen sehr, sehr spät dran. Hinzu kommt dieses Jahr noch ein Umstand, der mir so noch nicht vorgekommen ist: Ich möchte Bücher empfehlen und habe sie einfach nicht rechtzeitig bekommen! Die vorgestellten Bücher beziehe ich über den Buchladen meines Vertrauens, um auch gleich einmal die Verfügbarkeit zu testen. Das ging diesmal wegen Lieferschwierigkeiten etwas schief. Nichtsdestotrotz die Empfehlungen für Weihnachten:

SPACE2025 – Das aktuelle Raumfahrt-Jahrbuch – Der Dauerbrenner, herausgegeben vom Verein zur Förderung der Raumfahrt (VFR)

Autor Eugen Reichl hatte Anfang November auf den 39. Tagen der Raumfahrt in Neubrandenburg mächtig Werbung gemacht. Leider halte ich dazu bislang nur den Flyer in der Hand. Glaubt man den Ankündigungen, so soll das Buch auch dieses Jahr ein Muss für Raumfahrt-Fans sein. Ich selber bin ja gespannt, was unter der angekündigten Rubrik „Die besten Raumfahrtbücher“ zu lesen sein wird.

Erschienen im Verlag Verein zur Förderung der Raumfahrt e.V. – ISBN 978-3-944819-25-9

Umlaufbahnen – Ein Roman von Samantha Harvey – Ausgezeichnet mit dem Booker Prize 2024

Der „Booker Prize“ ist in Großbritannien das Gegenstück zum „Deutschen Buchpreis“. Also eine sehr bedeutende Auszeichnung. Und dieses Jahr hat ihn die Autorin Samantha Harvey für ihren Roman „Orbital“ erhalten. In Deutschland ist das Buch unter dem Titel „Umlaufbahnen“ erschienen. Und prompt gibt es Lieferprobleme. Zur Zeit befindet sich das Buch im Nachdruck, so die Auskunft des Buchhandels. Na, mal sehen. Der bei verschiedenen Anbietern benannte Inhalt macht sehr neugierig, spielt er doch auf der ISS. Ich empfehle, sich die Buchbesprechung beim Deutschlandfunk-Kultur anzuhören.

https://www.deutschlandfunkkultur.de/buchkritik-umlaufbahnen-von-samantha-harvey-dlf-kultur-c3ad6cee-100.html

Erschienen im Verlag dtv – ISBN 978-3-423-28423-3

Der kleine Major Tom. Space School. Band 1. Abenteuer Raumfahrt

Wer kennt sie nicht die Kinder-Bücher über den kleinen Major Tom?! Der TESSLOFF-Verlag mit Unterstützung des DLR bietet hier auf 72 Seiten ein kleines Kinder-Space-Schulbuch zur Serie an. Für kleine Raumfahrt-Fans ab 8 Jahren empfohlen.

Erschienen im TESSLOFF-Verlag – ISBN: 978-3-7886-4113-9

Reisen von Zeit zu Zeit – von Erik Simon und Reinhard Heinrich – SF-Geschichte(n)

So recht passt das folgende Büchlein nicht hier her, handelt es sich doch um Science Fiction. Die aber vom Feinsten! So sei mir der kleine Abschweifer außerhalb der Raumfahrt mit dem folgenden Geheimtipp gegönnt. Im November traf ich übrigens den Autor Erik Simon im SF-Club Andymon in Berlin.

Wer sich ein wenig mit DDR-SF-Literatur auskennt, dem ist bestimmt das Kompass-Büchlein „Die ersten Zeitreisen“ nicht unbekannt. Der vorliegenden Band beinhaltet genau diese „historischen Berichte“ und macht weitere Ausführungen. Immerhin ist das Buch jetzt 306 Seiten stark.

„Falls Sie also wissen wollen, wie der Charakter der Urmenschen beschaffen war, wer tatsächlich die Terrasse von Baalbek erbaute und was es mit Atlantis oder mit Parzivals Gral wirklich auf sich hat, dann lesen Sie die Berichte über Tim E. Traveller und seine mutigen Nachfolger! Sie erfahren dabei außerdem, was es bedeutet, wenn die empfindliche Zeitkristallsäule beschädigt wird, wie ein Katastrophenbeschleuniger funktioniert und unter welchen Bedingungen ein Perpetuum mobile arbeitet. …“ So der Verlag.

Ein riesiger Lesespaß für alle.

Neu erschienen 2024 im Memoranda Verlag – ISBN 978-3-911391-04-7

Das wären die Empfehlungen für dieses Jahr. Allen Lesern wünschen wir frohe Feiertage.

Und zum Schluss: Natürlich sind die Buchempfehlungen der letzten Jahre nach wie vor gültig.

Links:

https://www.raumfahrer.net/literatur-weihnachten-2022-steht-vor-der-tuer/
https://www.raumfahrer.net/zu-weihnachten-space-2020/
https://www.raumfahrer.net/weihnachten-2018-steht-vor-der-tuer/
https://www.raumfahrer.net/zur-weihnacht-kinder-wirds-was-geben/

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• Bücher über Raumfahrt

Der Beitrag Weihnachten 2024 und die Last-Minute-Empfehlung erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DESY 17. September 2024.

17. September 2024 – Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler müssen genau wissen, wie viel Masse das W-Boson hat. Mit diesem Wissen können sie überprüfen, ob ihre theoretischen Vorhersagen zutreffen, und Abweichungen von diesen Vorhersagen schnell und zuverlässig erkennen. Das CMS-Experiment am CERN hat nun die bisher genaueste Messung der Masse des W-Bosons vorgelegt. An dieser anspruchsvollen Analyse haben experimentelle und theoretische Teilchenphysiker:innen bei DESY in enger Zusammenarbeit maßgeblich mitgewirkt.

Die CMS-Kollaboration, ein großer Zusammenschluss von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus der ganzen Welt, hat heute die Ergebnisse über ihre erste Massen-Messung des W-Bosons aus Proton-Proton-Kollisionsdaten aus der zweiten Laufzeit des Large Hadron Collider, dem weltgrößten Teilchenbeschleuniger am CERN in Genf, vorgestellt. Das W-Boson ist ein Elementarteilchen, das zusammen mit dem Z-Boson die schwache Kraft überträgt. Die schwache Kraft ist für eine Form der Radioaktivität verantwortlich und löst die Kernfusionsreaktion aus, die die Sonne zum Leuchten bringt.

Das heute präsentierte Ergebnis ist die bisher präziseste Messung der W-Masse, die am LHC durchgeführt wurde, und stimmt mit den Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik überein. Möglich wurde das Ergebnis durch eine Kombination aus experimentellen und theoretischen Faktoren, darunter die bisher präziseste Rekonstruktion der Myonen im CMS-Detektor und ein neuer theoretischer Ansatz, der bei DESY entwickelt wurde.

Im Standardmodell der Teilchenphysik, der Theorie, die alle Teilchen und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte mit höchstmöglicher Präzision beschreibt, steht die W-Masse in engem Zusammenhang mit der Stärke der Wechselwirkung, die die elektromagnetische und die schwache Kraft vereint. Außerdem sind die Massen des Higgs-Bosons und des Top-Quarks eng damit verbunden. Die Messung der Masse des W-Bosons mit hoher Präzision macht es daher möglich zu prüfen, ob diese Eigenschaften mit dem Standardmodell übereinstimmen oder nicht. Ist dies nicht der Fall, könnte die Ursache in neuen physikalischen Phänomenen wie neuen Teilchen oder unbekannten Wechselwirkungen liegen.

Das W-Boson wurde im Jahr 1983 am CERN entdeckt, allerdings war es schon immer eine besondere Herausforderung, seine Masse zu messen. Seit seiner Entdeckung haben mehrere Collider-Experimente am CERN und anderswo immer präzisere Massenmessungen durchgeführt. Das CMS-Experiment hat nun mit seiner ersten solchen Messung einen wichtigen Beitrag zu diesen globalen Bemühungen geleistet. Das Ergebnis, 80360,2 MeV mit einer Unsicherheit von 9,9 MeV, hat eine Genauigkeit, die mit der einer Messung des CDF-Experiments am Fermilab in den USA vergleichbar ist, und stimmt mit allen früheren Messungen außer dem CDF-Ergebnis überein.

„Diese Analyse ist der erste Versuch, die W-Masse unter den anspruchsvollen Kollisionsbedingungen der zweiten LHC-Laufzeit zu messen. Die harte Arbeit des Teams hat zu einer äußerst präzisen Messung der W-Masse und der genauesten Messung am LHC geführt“, sagt CMS-Sprecherin Patricia McBride. „Dies ist eine der komplexesten Analysen, die ich bei CMS je gesehen habe“, fügt die DESY-Wissenschaftlerin Katerina Lipka, Leiterin der Helmholtz-W2/W3-Gruppe „Standard Model at Ultimate Precision“, hinzu. Simone Amoroso und Federico Vazzoler, Wissenschaftler in dieser Gruppe, waren für die Modellierung der Beziehung zwischen dem Impuls des W-Bosons und dem Myon, in das es zerfällt, verantwortlich. Dabei haben sie eng mit dem DESY-Theoretiker Frank Tackmann zusammengearbeitet.

Die am LHC erzeugten W-Bosonen zerfallen fast sofort in ein Myon und ein Neutrino. Myonen werden vom CMS-Detektor nachgewiesen, aber die Neutrinos sind für den Detektor unsichtbar. Das macht diese Messung so kompliziert. Könnten sowohl Myonen als auch Neutrinos nachgewiesen werden, ließe sich die Masse des W-Bosons direkt aus der Energie und der Flugrichtung der Teilchen bestimmen, wie es beispielsweise beim Higgs-Boson der Fall ist. Um diese Herausforderung zu meistern, untersuchen die Forschenden den Impuls des Myons und leiten daraus den Wert der Masse des W-Bosons mit sehr hoher Genauigkeit ab.

Die endgültige Genauigkeit der Messung hängt von zwei Faktoren ab: Erstens vom speziellen Hochleistungs-Algorithmus des CMS-Detektors zur Rekonstruktion der Kinematik des Myons. Wenn die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Kinematik der Myonen kennen, die aus den Zerfällen von W-Bosonen hervorgehen, können sie Rückschlüsse auf die Kinematik des W-Bosons ziehen, was wiederum mehr über dessen Masse aussagt.

Zweitens nutzten die Forschungsteams die neuesten und besten Erkenntnisse aus Theorie und experimentellen Techniken. Die Standardmethode zur Messung der W-Masse bestand bisher darin, extrem präzise Messungen des Z-Bosons als eine Art Kontrollkanal zu verwenden, um die Kinematik des W-Bosons genau vorherzusagen. Der Theoretiker Frank Tackmann und sein im Rahmen des ERC-Konsolidierungsprogramms gefördertes Team haben eine Methode entwickelt, die die CMS-Messung (und möglicherweise auch alle künftigen Messungen) unabhängig vom Z-Boson macht. „Das Problem war immer, das Z mit dem W genau in Beziehung zu setzen“, sagt Tackmann. Die neue Methode beruht auf der gleichzeitigen Anwendung von zehn verschiedenen Theorieparametern und liefert robuste und parametrisierte theoretische Unsicherheiten, die für die korrekte Interpretation der Daten entscheidend sind. „Die Durchführung dieser hochmodernen theoretischen Berechnungen und die Zusammenstellung aller Teile war eine große Aufgabe“, fügt Simone Amoroso hinzu.

„Dieses neue CMS-Ergebnis, das mit den Vorhersagen des Standardmodells punktgenau übereinstimmt, ist nicht nur ein weiterer Beweis für die Robustheit des Standardmodells“, sagt Tackmann. „Es erhöht auch unsere Gesamtempfindlichkeit für Physik, die möglicherweise jenseits des Standardmodells liegt.“

Über DESY
Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY zählt mit seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen zu den weltweit führenden Zentren in der Forschung an und mit Teilchenbeschleunigern. Die Mission des Forschungszentrums ist die Entschlüsselung von Struktur und Funktion der Materie, als Basis zur Lösung der großen Fragen und drängenden Herausforderungen von Wissenschaft, Gesellschaft und Wirtschaft. Dafür entwickelt, baut und betreibt DESY modernste Beschleuniger- und Experimentieranlagen für die Forschung mit hochbrillantem Röntgenlicht und unterhält internationale Kooperationen in der Teilchen- und Astroteilchenphysik und in der Forschung mit Photonen. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

Pressemeldung vom CERN (auf englisch)
https://home.cern/news/press-release/physics/cms-experiment-cern-weighs-w-boson-mass

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• Large Hadron Collider
• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren

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Quelle: DESY 21. August 2024.

21. August 2024 – Im Jahr 2024 feiert das CERN sein 70. Jubiläum. Das internationale Forschungs- und Technologiezentrum mit Sitz in Genf blickt auf eine einzigartige Erfolgsgeschichte zurück. In den 70 Jahren seines Bestehens hat das CERN nicht nur unser Wissen über die Bestandteile, Entwicklung und Spielregeln des Universums ständig erweitert, sondern auch der Menschheit Technologien zur Verfügung gestellt, die unser Leben nachhaltig verändert haben. Das größte und bekannteste CERN-Projekt ist der Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) mit seinen riesigen Detektoren, an dem 2012 das Higgs-Teilchen entdeckt und seitdem präzise vermessen wurde. Deutschland gehörte 1954 zu den Gründungsstaaten, leistet den anteilig größten Beitrag zum CERN-Budget und ist mit fast 2.000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an der am CERN betriebenen Forschung beteiligt. Mit mehreren zentralen Veranstaltungen feiert die CERN-Forschungsgemeinschaft in Deutschland diesen runden Geburtstag Anfang September in Berlin.

Die Veranstalter – die Gemeinschaft der an der CERN-Forschung beteiligten Einrichtungen in Deutschland, vertreten durch das Komitee für Elementarteilchenphysik (KET), das Komitee für Hadronen und Kerne (KHuK), das Komitee für Beschleunigerphysik (KfB) und das CERN – laden zu diesen Veranstaltungen im Rahmen der „Festwoche“ zum 70. CERN-Geburtstag ein.

• Ausstellung mit Mitmach-Elementen „70 Jahre CERN“
  -2.-4.9., jeweils 10-18 Uhr, Futurium Berlin, Alexanderufer 2
  -Eintritt frei
  -Hands-on-Experimente rund um physikalische Konzepte mit Anleitung (auch für Schulklassen), eine interaktive Ausstellung über das Forschungszentrum CERN, seine Geschichte, wissenschaftlichen Erfolge und welche Rolle Deutschland im internationalen Forschungsabenteuer rund um CERN und seinen Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider spielt. Das Highlight am Dienstag ist der aufblasbare Zeitreisetunnel „Urknall unterwegs“!
  Die Ausstellung ist an allen drei Veranstaltungstagen geöffnet. Die permanente Ausstellung des Futuriums ist am Dienstag geschlossen.
• Konzert „Creazione/Schöpfung – Fragmente“
  -1.9., 18:00 Uhr, Kaiser-Wilhelm-Gedächtniskirche Berlin
  -Tickets: https://creazione.reservix.de/events
  -Konzert von Fragmenten der Oper „Creazione/Schöpfung“ von Komponistin Gloria Bruni. „Creazione/Schöpfung“ setzt sich mit der Frage nach dem Anfang und der Unendlichkeit des Seins auseinander – aus wissenschaftlicher, religiöser und musikalischer Sicht. Unter der Leitung von Wolf Kerschek spielen die Hamburger Symphoniker, das Berliner Vocalconsort und ein Chor aus Forschenden der Universität Hamburg und des Forschungszentrums DESY
• Talkabend „CERN Stories“
  -2.9., Einlass ab 18:30 Uhr, Beginn 19:30 h, Futurium Berlin, Alexanderufer 2
  -Eintritt frei
  -Im Rahmen des 70. CERN-Jubiläums laden wir zum Talkabend rund um den CERN-Alltag, die Besonderheiten des internationalen Forschungszentrums und Anekdoten aus dem Forscherleben. Wie fühlt es sich an, als Doktorand bei einer wissenschaftlichen Revolution dabei zu sein – der Entdeckung eines neuen Teilchens? Was bringt uns eigentlich diese ganze teure Teilchenknallerei? Bei „CERN Stories“ kommen die Menschen zu Wort, die am CERN arbeiten oder gearbeitet haben – ob als Schüler, Studierende, Forschende oder Generaldirektoren. Anekdoten, Erinnerungen und Ausblicke in lockerer Runde mit der Möglichkeit, hinterher mit den Talkgästen bei Getränken und Brezeln zu plaudern.
  –https://indico.cern.ch/event/1436404/
• Festakt
  -3.9., Einlass ab 18:00 Uhr, Beginn 19:00 Uhr, Futurium Berlin, Alexanderufer 2
  -Eintritt nur mit Einladung
  -Offizieller Festakt mit verschiedenen Vortragsformaten über die Wissenschaft am CERN, CERN und Deutschland, Technologie und Industrie und Bildung sowie Grußworten unter anderen von der Staatssekretärin Judith Pirscher (BMBF) und der Schweizer Botschafterin in Deutschland, Livia Leu. Zu den Vortragenden gehören der ehemalige CERN-Generaldirektor Rolf Heuer und die Forschungsdirektorin des Forschungszentrums DESY, Beate Heinemann.

Am 3.9. um 17:00 Uhr findet im Futurium außerdem der offizielle Launch einer neuen Augmented-Reality-App zur Teilchenphysik und ihren Forschungsanlagen statt: „Das Teilchenuniversum“. Mit Hilfe der App können Nutzer einen virtuellen Spaziergang durch das Universum machen – von den Anfängen unseres Kosmos und den Prozessen, die zur Entstehung von Galaxien, Sternen und Planeten geführt haben, bis zu einem Teilchenbeschleuniger in „Lebensgröße“ laden über 10 Stationen zum Entdecken ein.
Mehr Informationen zur App: https://lhc-deutschland.de/app/index_ger.html

Nicht nur in Berlin finden Veranstaltungen anlässlich des 70. Geburtstages statt: In der Woche vom 16. September laden an der CERN-Forschung beteiligte Universitäten und Forschungsinstitute in ganz Deutschland zu Veranstaltungen, Ausstellungen, Schnupperkursen und vielem mehr ein. Das komplette Programm: cern70.de

„Herzlichen Glückwunsch dem international anerkannten CERN und noch viele erfolgreiche Jahre der Spitzenforschung, die die Grenzen zu neuen Erkenntnissen beständig erweitern! Diese Glückwünsche gehen auch an die deutschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die zum Erfolg von CERN einen wesentlichen Beitrag leisten. Internationale Zusammenarbeit, wissenschaftliche Exzellenz und die ausgeprägte Kraft zur Innovation: Dies ist es, was das CERN auszeichnet als moderne Forschungseinrichtung und Vorbild, an dem sich andere orientieren“, sagt Judith Pirscher, Staatssekretärin im Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).

Über das CERN:
CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung, ist eines der weltweit führenden Laboratorien für Teilchenphysik. Die Organisation befindet sich an der französisch-schweizerischen Grenze und hat ihren Sitz in Genf. Sie hat 23 Mitgliedsstaaten, zu denen auch Deutschland gehört. Am CERN befindet sich der Large Hadron Collider, der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt.

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

Der Beitrag 70 Jahre Forschungszentrum CERN erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: TASCHEN-Verlag. Ein Beitrag von Stefan Goth 11. August 2024.

„Was ist ein Computer“, diese Frage stellt Jens Müller in seinem Vorwort. Das ganze Buch versucht auf diese Frage ein Antwort zu geben, wobei schnell klar wird, dass es sich nicht um ein einziges, genau beschreibbares Gerät, sondern um eine inzwischen alle Lebensbereiche verändernde Entwicklung hin zu einer digitalisierten Welt geht. Beginnend bei den ersten mechanischen Rechenhilfen und theoretischen Überlegungen vor mehreren hundert Jahren, über die elektromechanische Verschlüsselungstechnik „Enigma“ Nazi-Deutschlands und der Code-Knacker im englischen Pletchly Park, die ersten Großrechner, das aufkommen der „Personal Computer“, den Smartphones bis hin zu Quantencomputer, wird ein ganz großer Bogen gespannt.

Das vorliegende Buch ist natürlich kein Raumfahrt-Buch und auch Astronomie wird nur geringfügig gestreift, trotzdem entwickeln sich Blick und Weg zu den Sternen parallel und abhängig von der Computerisierung unserer Welt. Die Informationstechnologie wiederum erfährt entscheidende Impulse auch aus der Raumfahrt. Als z.B. der Computer für die Apollo-Raumkapsel entwickelt wurde, waren die wenigen existierenden Großrechner raumfüllende elektronische Ungetüme. Selbst die kompaktesten programmierbaren Geräte hatten noch die Größe von Kühlschränken und mussten ohne Displays auskommen. Am mobilsten waren noch einfache elektromechanische Tisch-Rechenmaschinen für die Grundrechenarten, immer noch in der Größe von Schreibmaschinen. Die Herausforderung bestand also darin einen Computer zu entwickeln, der nicht nur in der Lage war das Raumschiff zu steuern, sondern vor allem leicht und klein genug, um überhaupt eingebaut werden zu können. Auch wenn dies die Miniaturisierung in der Computerwelt nicht alleine ausgelöst hat, so ist dies eine Entwicklung, die beschrieben durch „Moor’s Law“ noch heute fortdauert.

Es gibt immer wieder Schnittstellen zwischen Digitalisierung und Raumfahrt. Erstaunlich ist, dass viele Entwicklungen nicht, wie man vielleicht den Eindruck haben könnte, „vom Himmel fallen“ sondern oft eine lange, von Rückschlägen gekennzeichnete Vorgeschichte haben. So existiert die Idee eines „Satelliten-Internet“ im low-earth-orbit schon mindestens seit den 1990er-Jahren, für die praktische Umsetzung hat es mehr als 20 Jahre gebraucht. Viele Dinge, die wir heute dem täglichen Leben zuordnen, brauchten ihren wissenschaftlichen und technischen Vorlauf, dies wird in dieser großen Zusammenschau der Entwicklung der Informationstechnologie immer wieder deutlich.

Das Buch legt zwar den Schwerpunkt auf die wissenschaftlichen und technischen Errungenschaften, aber immer im Kontext der jeweiligen Epoche und wird damit auch zu einem Abriss der gesellschaftlichen Entwicklung. Der große Fokus liegt hier auf der grafischen Darstellung, auf den Bildern sowohl der historischen „Rechner“ mit neuen aufwändigen Fotografien, zeitgenössischen Originalbildern und vielen hochwertig wiedergegebenen Werbeanzeigen. Die einleitenden Texte zu den Kapiteln und die etwas weitergehenden Erläuterungen sind dreisprachig gehalten, deutsch im Original, sowie englisch und französisch als Übersetzungen. Hervorgehobene Zitate von Zeitzeugen und die Bildunterschriften sind allerdings nur in Englisch wiedergegeben. Da die Übersetzungen eher sinngemäß angelegt sind, lohnt es sich manchmal die unterschiedlichen Sprachfassungen zu lesen, die Angaben variieren u.U. im Detail (zumindest im Vergleich von Deutsch und Englisch, den französischen Text kann ich mangels Sprachkenntnisse nicht beurteilen).

Die Aufmachung des großformatigen Buches (B x H x T: 25,5 x 37,8 x 4,5 cm, 8,980 kg, 60 €) ist, wie vom TASCHEN-Verlag nicht anders zu erwarten, sehr hochwertig. Der Fokus liegt ganz klar auf der exzellenten visuellen Wiedergabe der Bilder, die Texte zu einzelnen Objekten oder die Vita der wichtigsten Protagonisten sind eher kurz und knapp gehalten. Mit nominell 472, tatsächlich aber 476 bedruckten Seiten, es kommen noch die Innenseiten der Buchdeckel und die Außenseiten des Covers hinzu, sprengt es auf jeden Fall den Rahmen dessen, was man sich unter einem „Taschenbuch“ vorstellt, hier sollte man sich vom Namen des Verlags nicht Irre machen lassen. Auch für Menschen, die einen gewissen Teil der „Computerisierung“ in der Arbeitswelt und im privaten Umfeld mitgemacht haben, bietet dieses ausdrucksstarke Werk viele neue Erkenntnisse aber auch ein Wiedersehen mit „alten Bekannten“. Dieses „Bilderbuch für Erwachsene“ kann ich allen technikinteressierten Menschen dringendst empfehlen!

Stefan Goth

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• Bücher über Raumfahrt

Der Beitrag The Computer / A history from the 17th century to today erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung 2. August 2024.

2. August 2024 – Der Startschuss für die Installation der FAIR-Beschleunigermaschine ist gefallen. Die hoch präzisen Montagearbeiten in den Gebäuden der internationalen Beschleunigeranlage FAIR in Darmstadt haben begonnen: Die ersten tonnenschweren Magnete wurden erfolgreich in dem ringförmigen Tunnel, 17 Meter unter der Erde, positioniert. Dies markiert einen entscheidenden Fortschritt in der Realisierung des hochmodernen Beschleunigers, der Ionen aller Elemente bis auf 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen wird. Die Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) wird am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in internationaler Zusammenarbeit errichtet.

FAIR ist eines der größten Bauvorhaben und eine der innovativsten Hightech-Anlagen für die Forschung weltweit. Von der FAIR-Spitzenforschung sind bahnbrechende neue Erkenntnisse über die Materie und das Universum zu erwarten. Wissenschaftler*innen aus aller Welt werden an FAIR eine Vielzahl von neuartigen Experimenten durchführen, von der Astrophysik bis zur Krebsforschung.

Die Gebäude für die aktuelle Ausbaustufe von FAIR sind fertiggestellt und die Installation der technischen Gebäudeausrüstung ist weit fortgeschritten. In den kommenden Jahren werden mehrere Tausend Hightech-Komponenten der FAIR Beschleuniger- und Experimentieranlagen installiert. Die nun installierten ersten Komponenten sind supraleitende Magnete mit einem Gewicht von jeweils rund drei Tonnen. Davon werden insgesamt 108 Stück installiert. Sie werden Teil des 1,1 km langen Ringbeschleunigers SIS100, mit dem Ionen aller Elemente auf bis zu 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden können. Die Aufgabe der Magnete ist es, die Teilchen im Ringbeschleuniger zu lenken und in der Kreisbahn auf Kurs zu halten.

„Mit dem Einbau der ersten supraleitenden Hightech-Magnete starten wir die Installation der FAIR-Beschleunigermaschine, auf die wir seit Jahren konsequent und mit größtem Engagement hingearbeitet haben“, so Jörg Blaurock, Technischer Geschäftsführer von GSI und FAIR. „Alle weltweit gefertigten High-Tech-Komponenten, die jetzt zum Einbau bereitstehen, wurden vorher in aufwändigen Verfahren entwickelt und getestet. Dieser Erfolg ist das Ergebnis akribischer Planung und des enormen Einsatzes aller Beteiligten. Ich bin stolz auf die hervorragende Zusammenarbeit unserer Mitarbeitenden, der Kooperationspartner aus Forschung und Industrie sowie der vielen Planer und Unterstützer und natürlich unserer Gesellschafter, die diesen Übergang in die nächste Realisierungs-Phase von FAIR ermöglicht haben.“ (GSI)

Über FAIR
Zurzeit wird in Darmstadt das neue internationale Beschleunigerzentrum FAIR, eines der größten und komplexesten Bauvorhaben für die internationale Spitzenforschung, errichtet. Auf rund 20 Hektar entstehen einzigartige Gebäudestrukturen, um neu entwickelte Hochtechnologie-Gerätschaften für die Forschung zu beherbergen und zu betreiben. Für das multinationale, hochkomplexe Mega-Bauprojekt wurde eine integrierte Bauablaufplanung entwickelt, in der Hoch-, Tief- und Ingenieurbau, Beschleunigerentwicklung und -bau, sowie die wissenschaftlichen Experimente eng aufeinander abgestimmt sind. Mit FAIR wird Materie im Labor erzeugt und erforscht werden, wie sie sonst nur im Universum vorkommt. Forschende aus aller Welt erwarten neue Einblicke in den Aufbau der Materie und die Entwicklung des Universums, vom Urknall bis heute.

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• physikalische Grundlagenforschung

Der Beitrag GSI: Installationsstart der FAIR-Beschleunigermaschine erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf 2. August 2024.

2. August 2024 – BASE hat eine Falle entwickelt, mit der einzelne Antiprotonen wesentlich schneller abgekühlt werden als bisher, was die Forschenden nun in der Fachzeitschrift Physical Review Letters erläutern.

Nach dem Urknall vor über 13 Milliarden Jahren war das Universum voll hochenergetischer Strahlung. Aus ihr entstanden ständig Paare von Materie- und Antimaterieteilchen – beispielsweise Protonen und Antiprotonen. Trifft ein solches Paar wieder zusammen, zerstrahlen die Teile erneut zu reiner Energie. In der Summe sollten also exakt gleiche Mengen Materie und Antimaterie entstehen und wieder zerstrahlen, in der Summe sollte das Universum weitgehend materielos sein.

Offensichtlich gibt es aber ein Ungleichgewicht – eine Asymmetrie –, denn es gibt materielle Objekte. Es ist eine winzige Menge mehr Materie als Antimaterie entstanden, im Widerspruch zum Standardmodell der Teilchenphysik. Physiker suchen deshalb seit Jahrzehnten, das Standardmodell zu erweitern. Dafür benötigen sie auch präziseste Messung fundamentaler physikalischer Größen.

Hier setzt die BASE-Kollaboration („Baryon Antibaryon Symmetry Experiment“) an, an der die Universitäten in Düsseldorf, Hannover, Heidelberg, Mainz, Tokio und der ETH Zürich beteiligt sind sowie die Forschungslabore CERN in Genf, GSI in Darmstadt, das MPI für Kernphysik in Heidelberg, die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig und RIKEN in Wako / Japan.

„Die zentrale Frage, der wir nachgehen wollen: Sind Materie- und ihre zugehörigen Antimaterieteilchen exakt gleich schwer und haben sie die exakt gleichen magnetischen Momente, oder gibt es winzige Abweichungen?“, erläutert Prof. Dr. Stefan Ulmer, Sprecher von BASE. Er ist Professor am Institut für Experimentalphysik der HHU und forscht zusätzlich am CERN und am RIKEN.

Die Physiker wollen mit extrem hoher Auflösung den sogenannten Spin-Flip – Quantenübergänge des Protonenspins – bei einzelnen, ultrakalten und damit extrem energiearmen Antiprotonen messen; also das Umklappen des Eigendrehimpulses. „Aus den gemessenen Übergangsfrequenzen können wir unter anderem das magnetische Moment der Antiprotonen – also sozusagen deren winzige innere Stabmagnete – vermessen“, erläutert Ulmer, und: „Wir wollen so mit bisher unerreichter Genauigkeit schauen, ob diese Stabmagnete in Protonen und Antiprotonen dieselbe Stärke aufweisen.“

Einzelne Antiprotonen für die Messungen so zu präparieren, dass entsprechende Messgenauigkeiten erreicht werden, ist eine äußert aufwändige experimentelle Aufgabe. Hierbei hat die BASE-Kollaboration nun einen entscheidenden Fortschritt erzielt.

Dr. Barbara Maria Latacz vom CERN und Erstautorin der jetzt in Physical Review Letters als „editors suggestion“ erschienenen Studie: „Wir benötigen Antiprotonen mit einer maximalen Temperatur von 200 mK, also extrem kalte Teilchen. Nur so sind verschiedene Spin-Quantenzustände unterscheidbar. Mit bisherigen Techniken dauerte es 15 Stunden, um Antiprotonen, die wir aus dem Beschleunigerkomplex des CERN beziehen, so weit abzukühlen. Mit unserer neuen Kühlmethode verkürzen wir diese Zeit auf acht Minuten.“

Erreicht haben die Forschenden dies, indem sie quasi zwei sogenannte Penningfallen zu einem Gerät zusammenschlossen, zu einer „Maxwell-Daemon-Kühldoppelfalle“. Mit ihr ist es möglich, nur die kältesten Antiprotonen gezielt zu präparieren und für die nachfolgende Spin-Flip-Messung zu nutzen; wärmere Teilchen werden aussortiert. So entfällt die Zeit, um wärmere Antiprotonen abzukühlen.

Die erhebliche kürzere Kühlzeit ist notwendig, um die nötige Messstatistik in wesentlich kürzerer Zeit zu erhalten, so dass die Messunsicherheiten weiter gesenkt werden können. Latacz: „Wir brauchen mindestens 1.000 einzelne Messzyklen. Mit unserer neuen Falle heißt dies, dass wir rund einen Monat Messzeit benötigen – im Vergleich zu knapp zehn Jahren mit der alten Technik, was experimentell nicht realisierbar wäre.“

Ulmer: „Mit der BASE-Falle konnten wir bereits messen, dass sich die magnetischen Momente von Proton und Antiproton um maximal ein Milliardstel – wir sprechen von 10^-9 – unterscheiden. Wir konnten die Fehlerrate der Spin-Identifikation um mehr als einen Faktor 1.000 verbessern. In der nächsten Messkampagne hoffen wir, die Genauigkeit im magnetischen Moment auf 10^-10 verbessern zu können.“

Prof. Ulmer zu den zukünftigen Plänen: „Wir wollen eine mobile Teilchenfalle bauen, mit der wir am CERN in Genf erzeugte Antiprotonen in ein neues Labor an der HHU transportieren können. Dieses ist so eingerichtet, dass wir hoffen dürfen, die Messgenauigkeit um mindestens einen weiteren Faktor 10 zu verbessern.“

Hintergrund: Fallen für Elementarteilchen
Mithilfe von magnetischen und elektrischen Feldern können in Fallen einzelne elektrisch geladene Elementarteilchen, deren Antiteilchen oder auch Atomkerne für längere Zeit gespeichert werden. Speicherdauern von über zehn Jahren sind möglich. Innerhalb der Fallen können dann gezielte Messungen an ihnen vorgenommen werden.

Es gibt zwei grundlegende Bauweisen: Bei den sogenannten Paul-Fallen (die vom deutschen Physiker Wolfgang Paul in den 1950er-Jahren entwickelt wurden) erfolgt die Speicherung mithilfe von elektrischen Wechselfeldern. Die von Hans G. Dehmelt entwickelten „Penning-Fallen“ nutzen ein konstantes Magnetfeld und ein elektrostatisches Quadrupolfeld. Beide Physiker erhielten für ihre Entwicklungen 1989 den Nobelpreis.

Originalveröffentlichung
B. M. Latacz, M. Fleck, J. I. Jäger, G. Umbrazunas, B. P. Arndt, S. R. Erlewein, E. J. Wursten, J. A. Devlin, P. Micke, F. Abbass, D. Schweitzer, M. Wiesinger, C. Will, H. Yildiz, K. Blaum, Y. Matsuda, A. Mooser, C. Ospelkaus, C. Smorra, A. Soter, W. Quint, J. Walz, Y. Yamazaki, and S. Ulmer. Orders of Magnitude Improved Cyclotron-Mode Cooling for Non-Destructive Spin Quantum Transition Spectroscopy with Single Trapped Antiprotons, Physical Review Letters 133, 053201 (2024).
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.053201
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.053201
pdf: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.133.053201

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