Quelle: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT 12. Juni 2024.

12. Juni 2024 – Die Gravitationswellen entstehen zum Beispiel, wenn schwarze Löcher oder Neutronensterne kollidieren. Im zukünftigen Gravitationswellendetektor, dem Einstein-Teleskop, wird dafür die neueste Lasertechnologie genutzt werden.

Wie das Universum Gold macht
Im Sommer 2017 gab es für Astronomen einen extrem aufregenden Tag: Am 17. August registrierten drei Gravitationswellendetektoren ein neues Signal. Sofort wurden hunderte Teleskope auf der ganzen Welt auf den vermuteten Ursprungsort ausgerichtet und tatsächlich sah man dort einen aufleuchtenden Himmelskörper. Zum ersten Mal war es gelungen, die Kollision von zwei Neutronensternen sowohl als Gravitationswelle als auch optisch zu erfassen.

Neutronensterne sind etwas ganz Besonderes im Universum: Sie sind ausgebrannte Sterne, die schon lange nicht mehr leuchten. Sie wiegen etwas mehr als unsere Sonne, quetschen ihre Masse aber in eine Kugel von weniger als 20 km Durchmesser. Die Wucht bei ihrem Zusammenstoß ist so groß, dass Atomkerne zerrissen werden. Gigantische Mengen von Massen werden ausgestoßen und schwere Atome wie Gold können entstehen.

»Im Vergleich zur Masse der Neutronensterne ist es nicht viel Gold, das da entsteht – nur ein paar Mondmassen«, erklärt schmunzelnd Professor Achim Stahl, ein Astrophysiker von der RWTH Aachen University. »Aber die Forschung ist sich ziemlich sicher, dass das meiste Gold im Universum bei solchen gigantischen Explosionen entstanden ist.« Der goldene Ring, den wir am Finger tragen, hat also schon galaktische Geschichte erlebt.

Gravitationswellendetektoren eröffnen ein neues Kapitel in der Astronomie
Dank der Gravitationswellendetektoren wissen wir schon jetzt mehr über die Kollisionen von Neutronensternen. Für galaktische Verhältnisse sind das sehr schnelle Prozesse. Früher hat man mit viel Glück einen Gammablitz von weniger als einer Sekunde registriert. Wenn schwarze Löcher kollidieren, ist das mit den aktuellen Gravitationswellendetektoren messbare Signal sehr kurz. Etwas mehr als 0,2 Sekunden lang war das Signal der ersten Gravitationswelle, die 2015 gemessen wurde. Solche Wellen entstehen, wenn ultraschwere Objekte im Universum umeinanderkreisen und dann kollidieren.

Das im Sommer 2017 detektierte Signal war 100 Sekunden lang, womit sofort klar war, dass das etwas Neues sein musste. Kurz nach dem Ende des Gravitationssignals konnte der Gammablitz aufgezeichnet werden, später wurde das Nachglühen der Explosion in verschiedenen Wellenlängenbereichen beobachtet und Spuren schwerer Elemente wie Gold und Platin nachgewiesen. Das Ereignis wurde als Kollision zweier Neutronensterne identifiziert. Mit der gleichzeitigen Beobachtung von Gravitationswellen und elektromagnetischen Signalen wurde ein neues Kapitel in der beobachtenden Astronomie begonnen. »Tatsächlich war das optische Signal entscheidend, um den Stern am Himmel zu finden«, erklärt der Astrophysiker Stahl den Vorteil.

Unsere »Ohren« zum Universum
Über Jahrhunderte hat sich die Astronomie auf Beobachtungen von sichtbarer Strahlung beschränkt. Mit dem besseren Verständnis des elektromagnetischen Spektrums kamen viele neue Beobachtungsmethoden hinzu, Radiowellen wurden aufgezeichnet und über Berechnungen und Simulationen wurde das Wissen der Menschheit deutlich erweitert.

Als Albert Einstein vor gut hundert Jahren seine allgemeine Relativitätstheorie postulierte, entstand auch der Gedanke, dass es Wellen geben könnte, die nichts mit dem elektromagnetischen Spektrum zu tun haben. Ähnlich wie eine Schallwelle sollten sie einen Probekörper in großem Abstand noch etwas »wackeln« lassen. Große beschleunigte Massen sollten solche Wellen durch den Raum schicken. Auf der Erde ist das Wackeln, das die Gravitationswellen verursachen, allerdings so schwach, dass die Bewegung wesentlich kleiner als der Durchmesser eines Atoms ist. Inzwischen ist es tatsächlich gelungen, Gravitationswellen zu messen. Für Astronomen ist das ein neues Zeitalter.

Möglich wird das durch sogenannte Laserinterferometer. Sie bestehen aus zwei Armen mit Spiegeln an den Enden. Ein Laserstrahl kommt in das Interferometer und wird an einem Strahlteiler in der Mitte geteilt. Er läuft zu den Endspiegeln in den zwei Armen und wieder zurück zum Strahlteiler. Ändert sich die Position des Spiegels am Ende eines Arms, variiert die Laufzeit des jeweiligen Laserstrahls um einen winzigen Betrag. Dieser Betrag lässt sich messen, indem man den Laserstrahl vom betroffenen Spiegel mit einem Laserstrahl aus dem anderen Interferometerarm vergleicht, bei dem der Spiegel nicht bewegt wurde.

Die Präzision dieser Messung in den aktuellen Gravitationswellendetektoren ist auch für Physiker immer wieder erstaunlich: »Wir messen auf weniger als einem Zweitausendstel Protonendurchmesser genau«, erklärt Professor Stahl. Zu Erinnerung: Protonen sind die Bestandteile von Atomkernen. »Es ist schon ironisch, dass wir für den Nachweis der größten Ereignisse im Universum, der Vereinigung von schwarzen Löchern, eine Präzision brauchen, die sich an den kleinsten uns bekannten Teilchen misst«, ergänzt er nachdenklich.

Erste Versuche, Gravitationswellen zu messen, gab es schon in den 1960er Jahren. Aber erst die aktuelle zweite Generation von Laser-Messgeräten schafft die extreme Genauigkeit und hat inzwischen etwa 100 Kollisionen von schwarzen Löchern oder Neutronensternen detektiert.

Das Einstein-Teleskop
Professor Stahl gehört der deutschen Einstein-Teleskop-Community an und arbeitet derzeit an der nächsten Generation von Gravitationswellendetektoren. Messgeräte dieser dritten Generation sollen noch zehn Mal empfindlicher sein als die derzeit genutzten. Nach dem Begründer der allgemeinen Relativitätstheorie wurde das geplante Gravitationswellenobservatorium »Einstein-Teleskop« genannt. »Wir wollen damit einen tausendfach größeren Bereich des Universums auf Gravitationswellen untersuchen. Und wir sollten dann erheblich mehr Quellen finden, für die die aktuellen Instrumente nicht empfindlich genug sind«, erklärt der Astrophysiker. Das betrifft dann auch noch schwerere Objekte, die Gravitationswellen mit niedrigeren Frequenzen abstrahlen.

Das Einstein-Teleskop soll aus drei ineinander verschachtelten Detektoren bestehen. Zu jedem dieser Detektoren gehören zwei Laserinterferometer mit 10 km langen Armen. Damit möglichst viele Störungen abgeschirmt werden, soll das Observatorium 250 m unter der Erde gebaut werden.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler denken aber schon viel weiter: »Das Einstein-Teleskop wird zusammen mit einer neuen, innovativen Generation von Observatorien im elektromagnetischen Spektrum arbeiten, die den Bereich von Radio- bis zu Gammastrahlen abdecken. Wir nennen das Multimessenger-Astronomie«, beschreibt Professor Stahl die Vision. »Neben den ›Ohren‹ für die Gravitationswellen haben wir dann auch ›Augen‹, die ganz verschiedene Signale erfassen. Zusammen liefern diese dann eine Live-Übertragung kosmischer Ereignisse, wie sie noch niemand je gesehen hat.«

Bislang konnte man auf gut Glück den Himmel beobachten und auf einen kurzen Blitz hoffen. Die Gravitationswellendetektoren laufen in Zukunft ständig und »hören«, wenn ein Signal erscheint. Wenn mehrere solche Detektoren das Signal erfassen, kann seine Ursprungsregion berechnet und andere optische Teleskope darauf ausgerichtet werden. So wie bei der Neutronensternkollision im Sommer 2017 sind dann mehrere systematische Messungen möglich. Die Wissenschaft verspricht sich davon viele neue Erkenntnisse, zum Beispiel über das frühe Universum oder über solche Kollisionen, in denen alle Elemente gebildet wurden, die schwerer sind als Eisen.

Detektoren in Europa und der ganzen Welt
So komplexe Messungen setzen eine globale Zusammenarbeit voraus. Dementsprechend wird auch in den USA ein Detektorkonzept der dritten Generation entwickelt: Der »Cosmic Explorer« wird mit dem Einstein-Teleskop ein globales Detektornetz bilden. Die Europäer haben das Einstein-Teleskop 2021 in die Roadmap des European Strategy Forum on Research Infrastructures (ESFRI) aufgenommen. ESFRI wurde 2002 gegründet, damit nationale Regierungen, die wissenschaftliche Gemeinschaft und die Europäische Kommission gemeinsam ein Konzept für Forschungsinfrastrukturen in Europa entwickeln und unterstützen können.

Mit der Aufnahme in die ESFRI Roadmap ist das Einstein-Teleskop in die Vorbereitungsphase eingetreten. Das Budget wurde auf 1,8 Milliarden Euro geschätzt. Etwa 40 Millionen Euro soll der Betrieb pro Jahr kosten. Der Baubeginn ist für 2026 geplant, die Beobachtungen sollen 2035 beginnen.

Gegenwärtig laufen Studien, um eine Standortauswahl zu treffen. Eine Entscheidung wird für 2024 erwartet. Zwei mögliche Standorte werden derzeit untersucht: einer auf Sardinien und einer in der Euregio Maas-Rhein im Dreiländereck Deutschland-Belgien-Niederlande. Bei der Bewertung der Standorte müssen die Durchführbarkeit des Baus berücksichtigt und die Auswirkungen der örtlichen Umgebung auf die Empfindlichkeit und den Betrieb des Detektors vorhergesagt werden.

Für die betreffende Region verspricht das Projekt einige Vorteile: Ein Großteil der Kosten von 1,8 Milliarden geht in Baumaßnahmen. Drei mal zehn km Tunnel und zwölf mal zehn km Vakuumrohre werden gebraucht, um nur zwei Beispiele zu nennen. Schon jetzt ist eine Vielzahl an Firmen an dem Projekt beteiligt.

An der eigentlichen Messapparatur arbeitet bereits ein großes Team an verschiedenen Standorten. Neben der RWTH Aachen University betrifft das in Aachen auch das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT. Dort entwickelt man derzeit neue Laser, ohne die die neuen Messungen nicht machbar wären. »Was wir hier für den potenziellen Einsatz im Einstein-Teleskop entwickeln, ist in dieser Ausführung einzigartig und ausschließlich zur Messung von Gravitationswellen gedacht«, bestätigt Dr. Patrick Baer vom Fraunhofer ILT, der als Research Unit Leiter in der Einstein-Teleskop Community Forschungsgruppen der Fraunhofer-Institute für Lasertechnik ILT und für Produktionstechnologie IPT sowie der Lehrstühle für Lasertechnik LLT und für Technologie Optischer Systeme der RWTH Aachen University vertritt. »In einer vereinfachten Ausführung kann die für diesen Einsatzbereich entwickelte Lasertechnologie allerdings auch für andere Anwendungen z.B. in der Quantentechnologie interessant sein. Aber auch für die Entwicklung von Lasern in der Medizintechnik kann das erlangte Wissen hilfreich sein: die Wellenlänge von 2 µm ist beispielsweise für das Zertrümmern von Nieren- und Blasensteinen geeignet.« Letztlich ist es das, was das Fraunhofer ILT seit seiner Gründung macht: High-end-Laser aus der Forschung für Anwendungen in der Industrie fit machen.

Aktuell ist die Finanzierung noch nicht vollständig gesichert. In den nächsten zwei Jahren erwartet Professor Stahl eine endgültige Entscheidung. Dann kommen die Planer, die Tunnelbauer und am Ende die Laserphysiker. »Ich schätze, dass wir 2035 die ersten Messungen vornehmen können.«

Was fasziniert einen Forscher wie Achim Stahl? »Mit Gravitationswellen können wir sehr viel weiter hinausblicken als mit normalen Teleskopen« erklärt der Astrophysiker. »Weiter hinausschauen heißt in der Astrophysik vor allem, in der Zeit zurückzuschauen. Mit dem Einstein-Teleskop werden wir Signale aus der Zeit empfangen, wo sich die Galaxien formierten und die ersten Sterne bildeten. Das geht weiter zurück, als es mit optischen Mitteln möglich ist. Und wir werden mit den Gravitationswellen kosmische Explosionen live hören, bevor wir sie sehen.« Die empfindlicheren Detektoren des Einstein-Teleskops werden die Signale früher »hören« und den anderen Teleskopen mehr Zeit lassen, um sich auszurichten. Früher war es eher ein glücklicher Zufall, so ein Ereignis zu sehen. Jetzt sind erstmals systematische Messungen möglich. Da brechen spannende Zeiten an – nicht nur für Astrophysiker.

Die Arbeit wurde zum Teil von Interreg EMR, Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE), und zum Teil vom Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen unterstützt.

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• Gravitationswellen

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Quelle: RWTH 23. Mai 2024.

23. Mai 2024 – Das Euclid-Konsortium veröffentlicht heute die ersten wissenschaftliche Arbeiten, die auf Beobachtungen des Euclid-Teleskops basieren. Forschende des Euclid-Konsortiums beobachteten und analysierten während der Early Release-Observationsphase eine Reihe wissenschaftlich interessanter Ziele. Sie geben einen Einblick in das beispiellose Potenzial des Teleskops, das die Aufgabe hat, die umfassendste und genaueste Karte unseres Universums zu erschaffen. An dem Großprojekt sind Professor Julien Lesgourgues und Dr. Santiago Casas vom Lehrstuhl für Theoretische Astroteilchenphysik und Kosmologie und Institut für Theoretische Teilchenphysik und Kosmologie (TTK) der RWTH Aachen beteiligt.

„Diese erste beeindruckende Veröffentlichung von Euclid-Bildern bestätigt, dass die Mission in den kommenden Jahren in der Lage sein wird, eines ihrer Hauptziele zu erreichen: einen riesigen Katalog von Bildern von etwa einer Milliarde Galaxien erstellen – der größte Galaxienbildkatalog, der jemals kreiert wurde. Mit einem solchen Katalog werden wir in der Lage sein, den detaillierten Entstehungsprozess großer Strukturen unseres Universums – zum Beispiel Galaxienhaufen, kosmische Filamente und riesige Leerräume – während der letzten Milliarden Jahre zu verstehen“, erklärt Professor Lesgourgues.

Einsichten in die Verteilung der dunklen Materie – und vieles mehr
Zehn wissenschaftliche Publikationen präsentieren nun spannende Ergebnisse zur Entdeckung frei schwebender, neu entstandener Planeten sowie neuer Zwerggalaxien und Galaxien mit geringer Oberflächenhelligkeit, zur Population von Kugelsternhaufen in der Nähe von Galaxien, zur Verteilung der dunklen Materie und des Lichts in Galaxienhaufen oder zu sogenannten gelinsten Galaxien mit hoher Rotverschiebung (high-redshift magnified lensed galaxies). Ebenso veröffentlicht das Konsortium heute weitere technische Informationen zur Mission, die die herausragenden Fähigkeiten von Euclid bestätigen sollen.

„Für mich als theoretischen Kosmologen ist es besonders spannend, dass wir nun in der Lage sein sollten, die Masse der leichtesten bekannten Teilchen, der Neutrinos, zu bestimmen und die Eigenschaften der beiden geheimnisvollsten Bestandteile des Universums, der dunklen Materie und der dunklen Energie, besser zu verstehen. Tatsächlich sind Neutrinos, dunkle Materie und dunkle Energie im Universum sehr häufig, und ihre Eigenschaften – wie eben die Masse von Neutrinos – bestimmen die Art und Weise, wie sich diese großen Strukturen bilden“, erläutert Lesgourgues. „Um die Masse von Neutrinos oder die Eigenschaften von dunkler Materie und dunkler Energie zu bestimmen, müssen wir die realen Daten mit vielen Computersimulationen des Universums vergleichen, die unter verschiedenen Annahmen durchgeführt wurden.“

Simulationen spielen für die Forschungsgruppe Kosmologie der RWTH Aachen eine wichtige Rolle. Die Aachener Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickeln Simulationscodes und stellen diese der internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Sie zeigen, wie das großräumige Universum unter anderem von den Eigenschaften der Neutrinos, der dunklen Materie und der dunklen Energie abhängt.

„Diese Instrumente werden eine wesentliche Rolle beim Vergleich zwischen den kosmologischen Modellen und den Beobachtungen von Euclid spielen. Wir haben uns seit vielen Jahren auf die Analyse der Euclid-Daten vorbereitet und freuen uns sehr darüber, dass die Satelliteninstrumente so gut funktionieren wie erwartet“, fügt Dr. Santiago Casas hinzu. „Unsere Arbeit konzentriert sich auf die Bayes’sche Parameterschätzung, bei der wir hochentwickelte statistische Methoden einsetzen, um die Parameter unseres Modells an die Beobachtungsdaten anzupassen. Diese Methoden sind sehr rechenintensiv, so dass wir für Teile dieser Berechnungen auf das RWTH High Performance Computing Cluster zurückgreifen. Indem wir verschiedene Szenarien simulieren und unterschiedliche Annahmen untersuchen, prognostizieren wir die Leistungsfähigkeit der Euclid-Mission bei der Messung der kosmologischen Parameter unseres Universums, wie z.B. die Häufigkeit von dunkler Materie und dunkler Energie. An der RWTH Aachen haben wir zwei in der kosmologischen Gemeinschaft weithin anerkannte Codes entwickelt – CLASS und MontePython – die erheblich dazu beitragen, diese Analysen zu ermöglichen.“

Das Euclid-Konsortium
In Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) ist das Euclid-Konsortium für die Durchführung der Mission verantwortlich. Das Konsortium hat die Mission des Weltraumteleskops Euclid geplant und die benötigten Instrumente gebaut. Ziel der Mission ist es, den extragalaktischen Himmel über einen Zeitraum von sechs Jahren zu kartieren und Daten zu liefern, die neue Erkenntnisse über dunkle Energie und dunkle Materie ermöglichen. Das Teleskop wurde am 1. Juli 2023 ins All gestartet und begann am 14. Februar 2024 mit der Durchmusterung des Himmels. Das Euclid-Konsortium umfasst mehr als 2.600 Mitglieder, darunter über 1.000 Forscher aus mehr als 300 Forschungseinrichtungen in 15 europäischen Ländern sowie Kanada, Japan und den Vereinigten Staaten. Die beteiligten Institute und Labore decken die verschiedenen Bereiche der Astrophysik, Kosmologie, theoretischen Physik und Teilchenphysik ab. Heute können die Arbeiten des Konsortiums durch eine erste Reihe von Publikationen nachgewiesen werden.

Während der ersten Monate von Euclid im Weltraum wurde ein Early Release-Observationsprogramm durchgeführt, das einen ersten Blick auf die Tiefe und Vielfalt der durch Euclid ermöglichten Forschung erlaubt. Hierzu nahm das Teleskop für einen Zeitraum von 24 Stunden ausgewählte Ziele in den Blick, um eindrucksvolle Bilder zu erstellen, die gleichzeitig wertvolle Erkenntnisse für die Wissenschaft liefern. Fünf dieser Bilder wurden im November 2023 veröffentlicht. Weitere fünf Bilder werden heute von der ESA publiziert. Die wissenschaftlichen Arbeiten, die einem internen Peer-Review-Prozess unterliegen, sind bei Euclid Consortium Publications erhältlich und werden als Vorabveröffentlichungen auf ArXiv erscheinen. Die Bilder und der so genannte Science-Ready Catalog stehen bei der ESA zum Download bereit.

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• Weltraumteleskop EUCLID

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Quelle: Technische Universität München 7. November 2023.

7. November 2023 – Dass sich Chiara Manfletti für eine Karriere als Ingenieurin entschied, hatte sich nicht unbedingt abgezeichnet. „Ich konnte mir viele Studiengänge vorstellen“, sagt sie: „Meeresbiologie, Journalismus, Tiermedizin oder auch Jura“. Der Wunsch, praktische Probleme zu lösen, gab dann den Ausschlag für das Ingenieurwesen, nur die Richtung war noch offen. „Eines Tages sah ich mit meinen Eltern die Cassini-Huygens-Mission der ESA im Fernsehen und war fasziniert von der Landung der Sonde auf dem Titan. Das hat mich so begeistert, dass ich mich letztlich für die Raumfahrt entschieden habe.“

Europäische Überfliegerin
Heute steht kaum jemand so sehr für den Geist der europäischen Raumfahrt wie Chiara Manfletti: Sie studierte Aeronautical Engineering in London – dem Master am Imperial College folgte ein weiterer an der International Space University in Straßburg und eine Promotion an der RWTH Aachen. Im Anschluss daran arbeitete sie als Forschungsingenieurin für Raketenantriebe beim DLR, bevor sie zur ESA wechselte, wo sie die Abteilung Policy and Programmes Coordination leitete. Während ihrer Zeit bei der ESA war sie auch am Aufbau der nationalen portugiesischen Raumfahrtagentur beteiligt und wurde deren erste Präsidentin.

2022 folgte sie dann dem Ruf an die TUM. „Universitäten werden – auch in Europa – immer mehr zu Inkubatoren für neue Ideen und für Start-ups“, sagt sie. „Ich glaube an der TUM ist für beide Dimensionen ein optimales Umfeld: Für interdisziplinäre Forschung um echte wissenschaftliche Durchbrüche zu erreichen und ein Ökosystem für schnellen Technologietransfer“.

Darüber hinaus ist Chiara Manfletti der Kontakt zu Studierenden sehr wichtig: „Mit Studierenden zu arbeiten, ist inspirierend und eine großartige Sache. Ich freue mich sehr, meine Erfahrungen an sie weiterzugeben und ihnen auch zu vermitteln, wie sie das Meiste aus ihrem Wissen und ihrer Energie machen können,“ sagt sie. „Wenn ich in meiner Karriere Entscheidungen treffen musste, habe ich mich nie gefragt ‚Kann ich das‘, sondern ‚Möchte ich das‘ und das will ich den Studierenden gern mit auf ihren Weg geben.“

Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit zusammen denken
Um die Raumfahrt nachhaltiger zu machen, ist Chiara Manfletti überzeugt, müsse auch die Wirtschaftlichkeit mitgedacht werden. „Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit kann man in der Raumfahrt nicht trennen,“ sagt sie. „Auf den Klimawandel kann es Antworten aus dem All geben, etwa durch Erdbeobachtungsservices, die die Basis für wichtige Forschung sind – die aber auch eine wirtschaftliche Dimension haben.“

An ihrem Lehrstuhl forscht sie beispielsweise an umweltfreundlichen Raumfahrtantrieben, darunter auch die Wasser-Elektrolyse oder die Verwendung von Sauerstoff und Methan. Mit ihrem Start-up Neuraspace widmet sie sich außerdem der Eindämmung und Vermeidung von Weltraumschrott. Auch die Wiederverwertung und Produktion bestimmter Materialien direkt im All wird laut Chiara Manfletti ein wichtiges Thema: „Wir können nicht ewig Ressourcen von der Erde ins All bringen, sondern müssen dort eine Art Kreislaufwirtschaft aufbauen“, sagt sie. „Für eine nachhaltige Zukunft der Raumfahrt müssen wir an Dingen forschen, die heute noch ein bisschen nach Science-Fiction klingen.“

Weitere Informationen und Links
Der Lehrstuhl für Raumfahrtantriebe und -mobilität unter der Leitung von Prof. Chiara Manfletti forscht an innovativen, intelligenten und nachhaltigen Antriebs- und Betriebskonzepten für Raketen und Satelliten.
Der Lehrstuhl wird gefördert über die Hightech Agenda Bayern.

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• Persönlichkeiten der Raumfahrt – Nachrichten

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Quelle: Forschungszentrum Jülich 13. Juli 2023.

13. Juli 2023 – Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie heute in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review X.

Etwa 80 Prozent der Materie im Universum besteht aus einem unbekannten und unsichtbaren Stoff. Postuliert wurde diese „dunkle Materie“ bereits vor etwa 90 Jahren. „Nur so ließ sich die Geschwindigkeitsverteilung der sichtbaren Materie innerhalb von Galaxien mit dem bisherigen Wissen in Einklang bringen“, erklärt Jörg Pretz, einer der Mitautoren der Studie, stellvertretender Direktor am Jülicher Institut für Kernphysik und Professor an der RWTH Aachen. „Eine ‚dunkle‘, bisher unbeobachtete Form von Materie muss die Galaxien zusätzlich stabilisieren.“

Seit den 1930er Jahren sind Physikerinnen und Physiker auf der Suche nach dieser Materie. An Theorien mangelt es der Wissenschaft nicht, doch bisher ist es noch niemandem gelungen, dunkle Materie tatsächlich nachzuweisen. „Denn ihre Natur ist noch völlig ungeklärt“, so Dr. Volker Hejny, ebenfalls vom Jülicher Institut für Kernphysik und wie sein Kollege Jörg Pretz Mitglied der internationalen JEDI-Kollaboration, die das Experiment durchgeführt hat. JEDI steht für Juelich Electric Dipole moment Investigations – die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Kollaboration arbeiten seit 2011 an der Messung elektrischer Dipolmomente geladener Teilchen. „Dunkle Materie ist nicht sichtbar, und verrät sich bisher nur indirekt durch ihre Schwerkraft. Deren Wirkung ist vergleichsweise winzig, so dass sie erst bei enorm großen Massen – wie eben ganzen Galaxien – wirklich in Erscheinung tritt.“

Theoretische Physikerinnen und Physiker haben bereits eine Reihe hypothetischer Elementarteilchen vorgeschlagen, aus denen die Dunkle Materie bestehen könnte. Je nach den Eigenschaften dieser Teilchen ergeben sich unterschiedliche Verfahren, durch die sie möglicherweise nachgewiesen werden können – Verfahren, die ohne den sehr schwierigen Nachweis der Gravitationswirkung auskommen. Zu den Kandidaten gehören auch Axionen und axion-artige Teilchen. „Ursprünglich sollten Axionen ein Problem in der Theorie der starken Wechselwirkung der Quantenchromodynamik lösen“, erläutert Jörg Pretz. „Der Name Axion geht auf den Physik-Nobelpreisträger Frank Wilczek zurück und bezieht sich auf eine Waschmittelmarke: Die Existenz der Teilchen sollte sozusagen die Theorie der Physik ‚reinwaschen‘.“

Um die Axionen nachzuweisen, nutzten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen der JEDI-Kollaboration die Spins von Teilchen. „Der Spin ist eine eigentümliche Eigenschaft der Quantenmechanik, durch die sich Teilchen wie kleine Stabmagnete verhalten“, erklärt Volker Hejny. „Dies wird beispielsweise in der medizinischen Bildgebung in der Kernspintomographie – auch Magnetresonanztomographie oder kurz MRT – ausgenutzt. Dabei werden die Spins von Atomkernen durch starke äußere Magnetfelder angeregt.“

Die MRT-Technik wird auch dazu verwendet, um nach Dunkler Materie zu suchen. Während sich in einem normalen MRT die Atome in Ruhe befinden, bewegen sich die Teilchen in einem Beschleuniger nahezu mit Lichtgeschwindigkeit. Das macht die Untersuchungen in einigen Bereichen viel empfindlicher und die Messungen genauer.

In ihrem Experiment nutzten die JEDI-Wissenschaftler eine besondere Eigenschaft des Jülicher Teilchenbeschleunigers COSY aus: die Verwendung von polarisierten Strahlen. „In einem gewöhnlichen Teilchenstrahl zeigen die Spins der Teilchen in beliebige Richtungen“, so Jörg Pretz. „Bei einem polarisierten Teilchenstrahl werden die Spins entlang einer Richtung ausgerichtet.“ Nur wenige Beschleuniger in der Welt verfügen über diese Möglichkeit.

Falls uns, wie die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vermuten, ein Hintergrundfeld von Axionen umgibt, dann würde dieses die Bewegung der Spins beeinflussen – und könnte letztendlich so im Experiment nachgewiesen werden. Jedoch: Der erwartete Effekt ist winzig. Noch sind die Messungen nicht genau genug. Doch auch wenn bei dem JEDI-Experiment noch keine Hinweise für dunkle Materieteilchen gefunden werden konnten, haben es die Forschenden geschafft, den möglichen Wechselwirkungs-Effekt weiter einzugrenzen. Noch bedeutender: Sie konnten eine neue und vielversprechende Methode für die Suche nach dunkler Materie etablieren.

Originalpublikation:
First Search for Axionlike Particles in a Storage Ring Using a Polarized Deuteron Beam, S. Karanth et al. (JEDI Collaboration), Phys. Rev. X 13, 031004 – Published 12 July 2023, DOI: 10.1103/PhysRevX.13.031004, https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.031004, pdf: https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.13.031004.

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• Dunkle Materie

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Quelle: RWTH.

11. Februar 2022 – Satelliten der Zukunft sollen sich wie Lego-Steine auseinanderbauen und immer wieder neu zusammensetzen lassen können. Diese Vision ist internationaler Konsens in der Raumfahrt, denn nur so lässt sich das Problem Weltraumschrott und auch die damit verbundene Sicherheit im Weltraum anpacken, weil eine neue Generation von modularen Satelliten im Weltraum repariert werden könnte. Das Institut für Strukturmechanik und Leichtbau der RWTH – kurz SLA – leistete für die nächste Generation modularer Satelliten Forschung an maßgeblicher Stelle: ­an der Schnittstelle zwischen den Modulen eines Satelliten.

Vereinfacht formuliert entwickelten die Aachener Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den passenden Stecker, iSSI genannt. Die RWTH meldete ein Patent an, die Idee wurde über die Ausgründung iBOSS GmbH auf den Markt gebracht. Das System wird jetzt erstmals im Weltraum erprobt. Am 19. Februar starten die Testmodule mit einer US-Raumfahrt-Mission auf die internationale Raumstation ISS. Dort werden sie auf dem japanischen Teil der ISS erstmals von einem Roboter in einem Außeneinsatz miteinander verbunden und wieder gelöst. Dabei lassen sich im verbundenen Zustand über die Schnittstelle des Stecksystems Daten und Strom übertragen.

Revolutionärer Ansatz
Für Professor Kai-Uwe Schröder, Leiter des SLA, und sein Team ist dies ein Meilenstein: Satellitenmodule lassen sich überall und damit auch im Weltraum Dank einfacher Handhabe immer wieder neu zusammensetzen. „Unser Ansatz ist revolutionär, potenziell setzt unser System einen Standard wie beispielsweise der USB-Stecker. Eine erfolgreiche Demonstration unter Raumfahrtbedingungen, im Vakuum und unter kosmischer Strahlung, wäre der große Durchbruch“, erläutert Schröder. „Wir haben die Chance, die Raumfahrt endlich nachhaltiger zu gestalten.“

Defekte Bauteile ließen sich künftig austauschen, um die Lebensdauer und Funktion eines Satelliten deutlich zu steigern. So werden beispielsweise in Satelliten sogenannte Drallräder eingesetzt, um ihre Lage im Raum zu kontrollieren. Wenn die Drallräder nicht mehr funktionieren, lässt sich der Satellit nicht mehr ausrichten – er steht somit nur eingeschränkt oder gar nicht mehr zur Verfügung. Integrierte Drallräder in einem Baumodul können bei Defekt ersetzt werden. Letztlich sind Satelliten durch diesen möglichen On-orbit-Service sogar um weitere Bauteile und Funktionen erweiterbar.

Seit 2010 ist das RWTH-Institut an einem Forschungsprojekt der DLR zu modularen Satelliten beteiligt. Zwölf Jahre später wird die Idee realisierbar, Bausteine eines Satelliten auf der Erde zu erstellen und im Orbit zusammenzusetzen. Für ihren iSSI-Ansatz wurde die RWTH-Ausgründung „iBOSS“ jüngst mit dem „Innovation in Space“-Award ausgezeichnet.

Positive Erfahrungen sammelte das Aachener Forscherteam mit der iSSI bereits auf der Erde. So wird der Stecker im Projekt upBUS eingesetzt, einem hybriden Mobilitätskonzept, bei dem ein Fahrzeug zwischen einer Luftseilbahn und einem autonomen Busbetrieb wechselt. Bei diesem Übergang muss in die Seilbahntechnik ein- und ausgekoppelt werden. Mit der anstehenden Mission auf der ISS – die RWTH ist dort ebenfalls am AMS-Projekt beteiligt und ihr Alumnus Matthias Maurer wird als Astronaut dabei sein – steht der nächste große Schritt an. Vision ist eine extraterrestrische Anwendung – etwa bei der Installierung von Stationen auf fernen Planeten.

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• **ISS** Forschung & Forschungseinrichtungen

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Quelle: FH Aachen.

19. Januar 2022 – Beispielsweise werden Weltraumteleskope, wie „Hubble“ im Jahr 1990, mit einer Rakete in den Kosmos geschickt, um noch weiter entfernte Galaxien zu entdecken und so mehr über das frühe Universum zu lernen. Hubble sucht seitdem in der Dunkelheit des Universums nach Lichtquellen, vorrangig im sichtbaren und UV- Strahlungsbereich, aber auch im nahen Infrarotbereich. Es lieferte dadurch in den letzten dreißig Jahren Millionen Fotos von Planeten in unserem Sonnensystem, Sternen, Galaxien sowie noch exotischeren Objekten. Bis zu 13 Milliarden Lichtjahre tief kann Hubble dabei in den Weltraum schauen und bietet einzigartige Einblicke in die Vergangenheit des Kosmos.

Jetzt wird Hubble von seinem Nachfolger, dem James-Webb-Weltraumteleskop, abgelöst. Das neue Teleskop ist im Gegensatz zu Hubble auf Infrarotstrahlung spezialisiert und kann damit noch weiter entfernte Objekte erkennen, weil das Licht dieser Objekte aufgrund ihrer großen Entfernung und der Ausdehnung des Universums nur noch als infrarote Wärmestrahlung bei uns ankommt.

Kooperation der RWTH und FH Aachen
An den Aachener Hochschulen RWTH und FH Aachen werden Pläne für ein noch größeres Weltraum-Forschungsinstrument entwickelt: Im Gegensatz zu Hubble oder James-Webb geht es bei diesem Modell aber nicht um die Suche nach Licht, sondern um die Untersuchung von kosmischen Teilchen. Unter der Projektleitung von Prof. Dr. Stefan Schael der RWTH Aachen arbeiten unter anderem zwei Forscher der FH Aachen, Prof. Dr. Markus Czupalla und Prof. Dr. Bernd Dachwald, an einem neuen Modell eines Alpha-Magnet-Spektrometers.

Blick in die Vergangenheit
Teleskope wie Hubble oder das James-Webb suchen im Weltraum nach der Lichtstrahlung von Planeten, Sternen und Galaxien. Deren Licht benötigt die Zeit ihrer Entfernung in Lichtjahren, bis es von Teleskopen in unserem Sonnensystem wahrgenommen werden kann, also bis zu 13 Milliarden Jahre. Daher bieten diese Forschungsinstrumente einen Blick in die Vergangenheit, und je größer die Auflösung und der Spektralbereich der jeweiligen Teleskope ist, desto tiefer können sie in unser Universum blicken. Das James-Webb-Teleskop ist dabei das bisher ambitionierteste astronomische Projekt der Raumfahrt. Der Hauptspiegel des Forschungsinstruments hat einen Durchmesser von 6,5 Metern und eine Fläche von knapp 25 Quadratmetern. Der Spiegel bietet durch seine einzigartige Größe eine bisher noch nie da gewesene Qualität der Bilder und gleichzeitig eine hohe Sensitivität für Infrarotlicht. Mit dieser Ausstattung ist das James-Webb-Teleskop das größte aller Zeiten. Knapp drei Jahrzehnte lang haben die Forscherinnen und Forscher das Teleskop entwickelt und es allen erdenklichen Tests unterzogen.

Das James-Webb-Teleskop – nicht nur die Größe ist einzigartig
Prof. Dr. Markus Czupalla vom Fachbereich Luft- und Raumfahrttechnik der FH Aachen kennt die Herausforderungen bei der Entwicklung solcher Weltraumteleskope: „Ein großes Risiko für eine solche Mission ist der Raketenstart und die Inbetriebnahme im Orbit. Selbst wenn der Start erfolgreich ist, sind die beweglichen Komponenten beim James-Webb-Teleskop eine Herausforderung.“ Insgesamt 178 Auslösemechanismen mussten im Weltraum funktionieren, damit das James-Webb-Teleskop seine Arbeit aufnehmen kann, denn die Ingenieurinnen und Ingenieure mussten das Teleskop faltbar konstruieren, weil es durch die ungewöhnliche Größe in keine Rakete passt.

„Alles, was sich bewegt, birgt ein Risiko“, erklärt Prof. Czupalla, „anders als beim Hubble kann niemand dem Teleskop helfen, wenn die Technik versagt“. Hubble war in einem Orbit, der für die Astronauten mit dem Space Shuttle gerade noch erreichbar war, und konnte somit gewartet werden. Das James-Webb-Teleskop dagegen ist viel weiter entfernt von der Erde platziert, um von der thermischen Strahlung der Erde und dem reflektierten Sonnenlicht möglichst geschützt zu sein. Dieser Punkt liegt auf der Verbindungslinie von Erde und Sonne und befindet sich 1,5 Millionen Kilometer entfernt von unserem Planeten, auf der sonnenabgewandten Seite – dem sogenannten Lagrange-Punkt L2. Auch das unter der Leitung von Prof. Schael geplante Alpha-Magnet-Spektrometer soll wie das James-Webb-Teleskop in einen Orbit am Punkt-L2 platziert werden. Der Analyse der komplexen Orbits um den Punkt-L2 für das Forschungsprojekt widmet sich Prof. Dr. Bernd Dachwald in seiner raumflugdynamischen Forschung der FH Aachen.

Vorbild für FH-Forschung
Während das James-Webb-Teleskop die Infrarotstrahlung im Kosmos misst, sind Magnet-Spektrometer Teilchendetektoren. Das bedeutet: Sie untersuchen die Zusammensetzung von kosmischer Strahlung, wie sie in kosmologischen Modellen vorkommt und unter anderem als Relikt aus den Anfängen des Universums erwartet wird. Das neue Alpha-Magnet-Spektrometer „AMS-100“ soll der Nachfolger von AMS-02 werden, das derzeit auf der Internationalen Raumstation betrieben wird. AMS-100 wird in Kooperation der RWTH Aachen mit der FH Aachen sowie weiteren Partnern entwickelt.

Die Aufgabe von AMS-100
Kurz nach dem Urknall bestand das Universum nur aus Energie, die sich nach Einsteins berühmter Formel E = mc² in Materie umwandelte. Energie hat aber keine Ladung, daher wurde in diesen Prozessen genau so viel Materie wie Anti- Materie produziert. Das uns umgebende Universum besteht aber nur aus Materie. Was ist also mit der Anti-Materie nach dem Urknall passiert? Sind eventuell noch leichte Anti-Materie-Kerne, wie Anti-Helium in der kosmischen Strahlung vorhanden? Diese Fragen möchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit dem Forschungsprojekt AMS-100 beantworten.

Bis jetzt wurde Antimaterie nur in Experimenten in Teilchenbeschleunigern, wie CERN, erzeugt. Prof. Schael und sein Team möchten jedoch einen Nachweis für Anti-Helium in der Natur – in unserem Kosmos – aufspüren. Momentan ist kein Spektrometer empfindlich genug, um den Nachweis zu erbringen. AMS-100 soll das nun ändern. Sollte das Teleskop einen Nachweis für Anti-Helium finden, würde es den Blick der Wissenschaft auf unser Universum verändern und maßgeblich zum Verständnis des Anfangs von unserem Universum beitragen.

Theorie und Praxis – ein Zusammenspiel
Prof. Czupalla befasst sich derzeit mit einer Möglichkeit zur raumfahrttechnischen Umsetzung des Forschungsprojekts: „Wir arbeiten an ähnlichen Problemen wie die Ingenieurinnen und Ingenieure vom James-Webb- Teleskop. Die Forschung zu James-Webb bietet daher für uns eine wissenschaftliche und technische Grundlage.“

Einer der vielen Herausforderungen für Prof. Czupalla liegt darin, den supraleitenden Magneten im Inneren von AMS-100 auf unter -220° C zu kühlen. Auch die Temperatur der Teilchendetektoren im inneren des Magneten ist entscheidend für eine erfolgreiche Forschungsmission. Diese muss konstant – 100° C betragen, um nicht zu viel Wärme an den supraleitenden Magneten abzugeben.

„Aus diesem Grund müssen wir, ähnlich wie bei James-Webb, einen Sonnenschild vor den Detektor von AMS-100 bauen. Außerdem benötigen wir einen großen entfaltbaren Radiator, der dafür sorgt, dass die überflüssige Wärme des Instruments in den Weltraum abgegeben wird. Denn anders als man vielleicht denken mag, ist es nicht so einfach, ein Gerät im All kontinuierlich so kalt zu halten“, erklärt Prof. Czupalla.

Theoretische Vorarbeit für langfristigen Erfolg
Bisher arbeiten Prof. Czupalla und Prof. Dachwald nur mit ihren Studierenden an dem Forschungsprojekt AMS-100: „Alle derzeit notwenigen Berechnungen und theoretischen Vorarbeiten finden in Zusammenarbeit mit Studierenden statt, um die prinzipielle technologische Machbarkeit zu demonstrieren und dann unser Projekt den Raumfahrtbehörden vorstellen zu können. Wenn wir eine Projektförderung erhalten, können wir ein Forschungsteam aufbauen“, so Prof. Czupalla. Die FH-Forscher sind dabei optimistisch, denn die Berechnungen zeigen, dass die Umsetzung des Weltraumteleskops AMS-100 wohl möglich ist, auch wenn viele einzigartige Lösungsansätze erforderlich sein werden. „Aber es ist genau diese Art von Herausforderungen, die mich an der Raumfahrt begeistern“, sagt Prof. Czupalla.

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• Alpha-Magnet-Spektrometer AMS-02

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Quelle: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT.

8. September 2021 – Mit dem Verfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) wurde erstmals ein neuer Präzisionsgreifarm aus Metallpulver in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Digital Additive Production DAP entwickelt und aufgebaut – für die Montage von Weltraumkomponenten im Reinraum ein Novum! Der Greifarm ist leichter als sein Vorgänger und doch stabil genug, um schwerere Laseroptiken ultragenau montieren und justieren zu können.

Lasersysteme für den Weltraumeinsatz

Vibrationstest und Klimakammer – das sind typische Stationen bei der Qualifizierung eines Lasersystems für den Weltraumeinsatz. Trotz höchster Belastungen müssen die Systeme mikrometergenau justiert bleiben, um im All sicher arbeiten zu können.
Am Fraunhofer ILT in Aachen wurde in den vergangenen Jahren die Montagetechnik für solche Lasersysteme entwickelt und immer weiter verbessert. Dabei arbeiten die Expertinnen und Experten des Fraunhofer ILT mit Partnern wie DLR, Airbus Defence and Space, TESAT Spacecom sowie der ESA zusammen, um komplexe optische Systeme zu bauen. Für den Aufbau dieser optischen Systeme werden modernste Technologien eingesetzt: Alle wesentlichen Justierschritte werden mit manuell geführten Robotern im Pick & Align-Verfahren vorgenommen. Ein zentrales Werkzeug ist der Greifarm. Er sitzt auf einem Hexapoden und positioniert die Bauteile mikrometergenau im optischen Aufbau. Dort werden sie auf wenige mikro-rad genau justiert und durch Löten fixiert. Der Aufbau des Greifarms ist entscheidend für die Präzision der Montage und gibt auch das maximale Gewicht der optischen Komponenten vor.

Mit bionischem Design und additiven Methoden zu mehr Tragkraft

Um die Leistungsfähigkeit der Aufbautechnologie weiter zu steigern, entwickelte das Fraunhofer ILT einen komplett neuen Greifarm. Nach seiner Konstruktion legten die Kolleginnen und Kollegen des Lehrstuhls für Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen University zudem die bionischen Strukturen so aus, dass bei kleinerem Eigengewicht seine Nutzlast vergrößert werden konnte. Gefertigt wurde der topologieoptimierte Greifarm schließlich via Laser Powder Bed Fusion (LPBF) ebenfalls am Lehrstuhl DAP. Dank einer speziellen Nachbearbeitung erreicht der Greifarm die Reinraumklasse ISO5. Das ist ein absolutes Novum – bislang verhinderte Restpulver an den Bauteilen den Einsatz additiver Methoden bei solchen Präzisionswerkzeugen im Reinstraum. Der neue Greifarm ist zweigeteilt mit einem statischen und einem beweglichen Teil. Zuleitungen für benötigte Medien sind zur Minimierung der Kontamination in den Greifarm integriert.

Für die Missionen der Zukunft

Dieses Präzisionswerkzeug bewegt deutlich schwerere Teile als das bislang eingesetzte Werkzeug, gleichzeitig ermöglicht es eine stabilere Justage. »Wir beschreiten mit dieser Technologie einen für uns neuen Weg. Es wird nicht erst konstruiert und dann geschaut, ob das Bauteil die gewünschten Eigenschaften hat, sondern die Bauteilgeometrie wird für die Belastungsszenarien optimiert«, beschreibt Michael Janßen, der seit Jahren am Fraunhofer ILT die Greifer für die Montage konstruiert, die Vorgehensweise.

Eingesetzt wird der neue Greifer im Rahmen von FULAS – einer universellen Technologieplattform, welche die Aachener zum Aufbau von Lasersystemen in Luft- und Raumfahrtprojekten entwickelt haben. »Wir haben in die Fertigung des neuen Greifers die Erfahrungen aus der gesamten FULAS-Entwicklung eingebracht« resümiert Projektleiter Heinrich Faidel vom Fraunhofer ILT die Aktivitäten. Ein System auf FULAS-Basis wird derzeit für die deutsch-französische Klimamission MERLIN (Methane Remote Sensing Lidar Mission) aufgebaut. Der Kleinsatellit MERLIN soll von Kourou, Französisch-Guayana, aus in den Weltraum befördert werden, um die Verteilung von Methan in der Erdatmosphäre zu kartieren. Kernkomponente des Satelliten ist ein LIDAR-Laser, der Lichtpulse in die Atmosphäre schickt und aus dem zurückgestreuten Licht die Methankonzentration bestimmt.

Treffen Sie unsere Expertinnen und Experten auf dem 15. Tag der Deutschen Luft- und Raumfahrtregionen am 29. September 2021 in Aachen.

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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Quelle: RWTH.

Am 6. Dezember 2016 wurde im IceCube Neutrino Observatorium in der Antarktis ein extrem hochenergetisches Neutrino gemessen, das überraschende Rückschlüsse auf fundamentale Teilchenphysik erlaubt. Schon die Energie von 6,3 Peta-Elektronenvolt ist rekordverdächtig und weist auf einen Ursprung außerhalb unseres Sonnensystems hin. Auch kann mit diesem Ereignis erstmalig eine Teilchenreaktion bestätigt werden, die von Nobelpreisträger Sheldon Glashow schon im Jahr 1960 vorhergesagt wurde. Die Forschungsergebnisse des internationalen Teams wurden heute unter dem Titel „Detection of a particle shower at the Glashow resonance with IceCube“ in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht. Hieran waren auch maßgeblich RWTH-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beteiligt.

Die Messung von Neutrinos ist ein schwieriges Unterfangen, für das riesige Detektoren mit hoher Sensitivität und Messgenauigkeit erforderlich sind. Das IceCube Neutrino Observatorium befindet sich am geographischen Südpol und ist das weltweit größte Instrument seiner Art. Mit Hilfe von etwa 5000 ultra-sensitiven Lichtsensoren, die tief in das antarktische Eis eingelassen sind, wird ein Volumen von 1 Kubikkilometer seit 2010 rund um die Uhr überwacht. Etwa alle zehn Minuten wird ein Neutrino registriert. Dabei handelt es sich hauptsächlich um Neutrinos, die in der Erdatmosphäre entstehen. Besonders hochenergetische Neutrinos entstehen jedoch auch in extremen Umgebungen im Universum, zum Beispiel in der Nähe massiver schwarzer Löcher. Seit Beginn der Aufzeichnungen konnten bereits einige hundert kosmische Neutrinos mit IceCube nachgewiesen werden und im Jahr 2017 sogar überzeugende Hinweise auf den Quasar TXS 0506+056 als kosmische Neutrinoquelle gefunden werden. Selbst für diese Neutrinos, ist jedoch die Energie des am 6. Dezember 2016 beobachteten Neutrinos spektakulär. „Neutrinoereignisse mit so hoher Energie sind im Detektor nicht zu übersehen, aber sie passieren nur alle paar Jahre“; analysiert Professor Christopher Wiebusch vom III. Physikalischen Institut B der RWTH Aachen und Leiter der Aachener IceCube-Gruppe. IceCube hat in elf Jahren nur drei Ereignisse mit mehr als 5 Peta-Elektronenvolt (PeV) Energie aufgezeichnet. Ein PeV ist ungefähr 100-mal hochenergetischer als die leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger wie zum Beispiel die Protonenstrahlen des Large Hadron Colliders (LHC) am CERN in Genf.

Bei der gemessenen Energie von 6,3 PeV horchen Elementarteilchenphysiker auf: Dies ist genau die Energie, bei der Neutrinos mit hundertfach verstärkter Wahrscheinlichkeit wechselwirken, wenn es in der Natur einen Resonanzprozess von Anti-Elektronneutrinos mit atomaren Elektronen gibt. Dieser Prozess wurde schon im Jahr 1960 von Sheldon Glashow, Begründer des heutigen Standardmodells der Elementarteilchenphysik und Nobelpreisträger, vorhergesagt, konnte aber auf Grund der hohen Energie bisher nicht experimentell bestätigt werden. Dr. Christian Haack: „Wir haben nicht nur eines der höchstenergetischsten jemals gemessenen Neutrinos beobachtet, das somit klar kosmischen Ursprungs ist, sondern auch eine seit Jahrzehnten offene Frage der Elementarteilchenphysik geklärt. Dadurch gibt es nun ein neues experimentelles Verfahren, mit dem wir kosmische Anti-Neutrinos von Neutrinos unterscheiden können. So werden Aussagen über die kosmischen Teilchenbeschleuniger möglich.“ Haack promovierte hierzu an der RWTH Aachen und forscht aktuell an der TU München.

Internationale Zusammenarbeit
Die Messung wurde maßgeblich durch eine internationale Teamarbeit junger Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen innerhalb der internationalen IceCube Kollaboration möglich; von Lu Lu von der Universität Chiba in Japan (inzwischen Universität Madison, USA), Tianlu Yuan von der Universität Madison, und Christian Haack. Da die Neutrinoreaktion knapp außerhalb des beobachteten Eis-Volumens stattfand, war die zweifelsfreie Rekonstruktion ein mehrjähriger Prozess. Insbesondere die Entdeckung von charakteristischen in den Detektor hineinreichenden Einzelsignalen durch das RWTH-Team war ein Schlüssel zum Erfolg. So konnte die Ursprungsrichtung des Neutrinos genau bestimmt und auch die Auswertung des Resonanz-Prozesses bestätigt werden. Terrestrische Untergrundsignale oder eine Fehlmessung wurden mit sehr großer Sicherheit ausgeschlossen. Auch die Möglichkeit einer anderen Neutrino-Reaktion konnte bis auf wenige Prozent ausgeschlossen werden. Ob die Gewissheit weiter verbessert werden kann müssen nun zukünftige Messungen zeigen. Da das Universum offensichtlich Neutrinos ausreichender Energie liefert, ist es nur eine Frage der Zeit, bis weitere Reaktionen dieser Art beobachtet werden. Glashow, inzwischen Emeritus der Universität Boston: „Bisher ist es nur eins, eines Tages werden es mehr sein.“

Das IceCube Neutrino Observatorium
IceCube wurde als internationale Kollaboration von etwa 400 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an 53 Forschungseinrichtungen in zwölf Ländern gebaut und wird von diesen auch gemeinschaftlich betrieben. Die Federführung haben die University of Wisconsin–Madison (USA) und die National Science Foundation (USA). Mit Unterstützung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) beteiligen sich aus Deutschland mehr als 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an den Universitäten RWTH Aachen, HU Berlin, RU Bochum, TU Dortmund, FAU Erlangen, JGU Mainz, TU München, WWU Münster, BU Wuppertal sowie den beiden Helmholtz-Zentren Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) und Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Für die Zukunft gibt es große Pläne: So werden in den nächsten Jahren in einem ersten Schritt, dem IceCube Upgrade, neue Photosensoren zentral in IceCube eingebracht, um die Messgenauigkeit zu verbessern. Danach soll bis Ende des Jahrzehnts im Rahmen des IceCube-Gen2 Projektes das Volumen von IceCube fast verzehnfacht werden, wodurch sich dann die Zahl gemessener Neutrinoreaktionen entsprechend vergrößert. „Mit IceCube ist uns erstmalig der Nachweis der Glashow-Resonanz gelungen und mit IceCube-Gen2 werden wir die Reaktion nutzen können, den Fluss von kosmischen Anti-Elektron-Neutrinos genau zu vermessen“, sagt Professor Dr. Marek Kowalski vom DESY, der die Vorbereitungen von IceCube-Gen2 koordiniert. „Das wird uns einen ganz neuen Zugang liefern, die wenig bekannten Produktionsmechanismen der hochenergetischen kosmischen Neutrinos zu verstehen.“

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• Antarktis-Neutrinoteleskop „IceCube“
• Neutrinos

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Quelle: ESA.

In diesem Studienjahr entwickeln 15 internationale Studententeams ihre Technologien zum Thema Weltraum-Habitat mit dem Ziel, ihre Projekte im Juli diesen Jahres ferngesteuert vom VERKEHRSHAUS der Schweiz aus zu testen. Dieses interuniversitäre Projekt folgt auf die erste IGLUNA-Ausgabe, die im letzten Sommer in Zermatt erfolgreich abgeschlossen wurde.

IGLUNA versammelt auch weiterhin Studenten aus aller Welt, die an einem gemeinsamen interdisziplinären Projekt arbeiten. Nachdem IGLUNA 2019 im Juni letzten Jahres erfolgreich zu einer Feldkampagne auf dem Klein Matterhorn Gletscher in Zermatt geführt wurde, unterstützt die ESA diese Initiative erneut, um sie auf die nächste Stufe zu bringen.

Fünfzehn Teams aus zehn Ländern wurden für die Durchführung dieser Mission ausgewählt. Der Schwerpunkt liegt dieses Jahr auf der Entwicklung von Technologien, die für das Leben in einer extremen Umgebung (wie auf anderen Himmelskörpern oder auf der Erde) erforderlich sind – mit der Herausforderung, die Module fernzusteuern. Während die Studentinnen und Studenten ihre Module auf einem Berg in der Nähe von Luzern installieren, werden sie ihre Experimente vom VERKEHRSHAUS aus betreiben und durchführen, mit begrenztem Zugang zum Testgelände, wie bei Weltraummissionen.

Die Studierenden kommen aus verschiedenen Disziplinen und werden sechs Forschungsthemen abdecken, um Habitate für extremen Umweltbedingungen zu entwickeln. Mehrere Teams konzentrieren sich auf lebenserhaltende Systeme wie Nahrungs- und Wasserproduktion, während andere Teams die Struktur des Habitats entwickeln. Weitere Teams befassen sich mit dem menschlichen Wohlbefinden, dem Kommunikationssystem und dem Energiemanagement. Schließlich werden die Studierenden ihre wissenschaftliche Experimente vor Ort durchführen.

Vom 11. bis zum 13. September trafen sich die Teams auf dem Campus der EPFL in Lausanne, um ihre Projekte zu starten und gemeinsam auf die Feldkampagne im Juli 2020 hinzuarbeiten.

So wird ein Team beispielsweise Fasern für Textilien und Baukonstruktionen aus dem Boden herstellen, damit andere sie vor Ort als Baumaterial verwenden können. Mit diesem kollaborativen Aspekt, dem Nachhaltigkeitsziel, der technologischen Herausforderung und Fernsteuerung will IGLUNA die Studenten mit der Vielfalt und den Anforderungen von Weltraumprojekten und deren terrestrischen Anwendungen vertraut machen.

Ausgewählte Institutionen

– Stiftung MELiSSA, Belgien
– Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne EPFL, Schweiz
– Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ZHAW, Schweiz
– Sapienza Universität Rom, Italien
– Technische Universität Warschau, Polen
– Massachusetts Institute of Technology MIT, USA
– Brandenburgische Technische Universität BTU, Deutschland
– RWTH Aachen, Deutschland
– Fachhochschule Windesheim, Niederlande
– Politecnico Milano, Italien
– Technische Universität Berlin TU, Deutschland
– Technische Universität Tallinn, Estland
– Aristoteles-Universität Thessaloniki, Griechenland
– Universität Bern, Schweiz
– Universität von Strathclyde, Vereinigtes Königreich

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• ESA

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Präambel der Satzung Raumfahrer Net e.V. vom 23. November 2002

“Seit Galileo Galilei vor 400 Jahren den Lauf der Erde um die Sonne berechnete, war die Wissenschaft stets ein treibender Motor des Fortschritts unserer Gesellschaft. Eine dieser Wissenschaften im Dienste der Menschheit ist die Weltraumfahrt, welche die Menschheit an immer neue Grenzen treibt. …

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• DO 22. 10. 2026 – PLD Space fertigt Flughardware ihrer Miura-5 Trägerrakete

  Wie PLD Space in einem Videobericht bekanntgab, ist das Startup aus Elche, Spanien, bei der Fertigung von drei Stück ihres Miura-5 Trägers, zwei Qualifikationsartikel und ein Flugmodel, und beabsichtigt mit Letzerem den ersten Start von der Startanlage in Kourou im ersten Halbjahr 2027 durchzuführen. Miura-5 ist eine zweistufige Trägerrakete mit 5 Teprel-C Triebwerken in der ersten und einem Teprel-Vac in der zweiten Stufe. Die Triebwerke werden mit Kerosin und LOX betrieben.

• MI 21. 10. 2026 – MetOp-SG-B1 erreicht Kourou

  Europas neuester Wettersatellit, MetOp-SG-B1, der zweite in der Baureihe nach dem bereits aktiven MetOp-SG-A1, hat mit dem Transportschiff Canopée am 16. Oktober den europäischen Weltraumbahnhof in Kourou erreicht. Gestartet werden soll MetOp-SG-B1 gegen Ende des Jahres auf einer Ariane 6. Die MetOp-SG-Satelliten vom Typ B sind mit einem Scatterometer, Radiookkultationssounder, Radarbildgeber, Eiswolkenbildgeber und einem Argos-4-Datenerfassungssystem ausgestattet.

• DI 20. 6. 2026 – Space Rider Test Modell bei Falltest zerstört

  Bei der letzten Testserie mit dem in voller Größe ausgeführtem Space Rider Testmodell trat eine Fehlfunktion auf, wodurch das Öffnen der Fallschirme nicht wie erwünscht von Statten ging. Das Testmodell wurde bei einem harten Aufschlag zerstört. Eine Untersuchung wurde eingeleitet.

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