Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg.

13. April 2022 – Es ist ruhig geworden um den Large Hadron Collider LHC, einen Teilchenbeschleuniger am Forschungszentrum CERN in Genf – zumindest in der Öffentlichkeit. Im Jahr 2008 in Betrieb gegangen, war es anfangs wesentliches Ziel, mit Hilfe des 27 Kilometer langen Rings aus supraleitenden Magneten das viele Jahrzehnte gesuchte Higgs-Teilchen nachzuweisen und zu vermessen. Das ist im Jahr 2012 gelungen; die beiden Physiker, die dessen Existenz vorhergesagt hatten, erhielten 2013 den Nobelpreis in Physik.

Dass der LHC in den vergangenen Monaten in den Medien nicht mehr präsent war, hat einen simplen Grund: Seit Januar 2019 ruht der Betrieb. Während des planungsmäßigen Shutdowns wird bis Mitte 2022 intensiv an technischen Verbesserungen gearbeitet. Während die Protonen bislang mit der zuvor nie erreichten Energie von 13 Teraelektronenvolt (TeV) kollidierten, sollen demnächst Energien von 14 TeV erreicht werden und die Anzahl der Ereignisse pro Sekunde deutlich erhöht werden. Damit sind dann neue Einblicke in die Welt der Elementarteilchen und auch in die Geschichte unseres Universums möglich.

Drittmittel in Höhe von 1,5 Millionen Euro eingeworben
An der Entwicklung und am Bau der neuen „Ausbaustufe“ des Teilchenbeschleunigers beteiligt waren auch Physiker der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU): Professor Thomas Trefzger, Inhaber des Lehrstuhls für Physik und ihre Didaktik, Professor Raimund Ströhmer vom gleichen Lehrstuhl und Professor Ansgar Denner als Vertreter der Theoretischen Physik. Beim Bundesforschungsministerium haben sie dafür Drittmittel in Höhe von insgesamt rund 1,5 Millionen Euro eingeworben.

„Wir waren dafür verantwortlich, für das ATLAS-Experiment am LHC wichtige Bauteile zu konstruieren“, erklärt Thomas Trefzger. Der ATLAS-Detektor ist einer von vier großen Detektoren an dem Ringbeschleuniger in Genf. Er zeichnet Teilchenkollisionen mit einer hohen Auflösung auf und speichert die Daten zur weiteren Analyse. Dabei konzentriert er sich auf sogenannte Myonen – eine Art „schwere Brüder“ des Elektrons, die allerdings nur für den millionstel Bruchteil einer Sekunde existieren, bevor sie in Elektronen und Neutrinos zerfallen.

Höhere Energie führt zu besseren Ergebnissen
„Wir wissen, dass das Higgs-Teilchen oft in zwei Elementarteilchen, sogenannte Z-Bosonen, zerfällt, die ihrerseits in jeweils zwei unterschiedliche Myonen zerfallen können“, erklärt Trefzger. Diese vier Myonen muss der ATLAS-Detektor in seinen „Myonkammern“ aufspüren und ihren Impuls und ihre Energie bestimmen, damit die Physiker in einer Rückwärtsberechnung die Masse des Higgs-Teilchens, aber auch die von anderen Elementarteilchen ermitteln können.

Das hat in der Vergangenheit schon ganz gut geklappt und unter anderem zum Nachweis des Higgs-Bosons geführt. Noch bessere Ergebnisse versprechen sich die CERN-Verantwortlichen jedoch von der jetzt nochmals gesteigerten Energie des Protonenstrahls. Der Nachteil dabei: „Mit der bisherigen Ausstattung wäre ATLAS nicht in der Lage, die gewaltige Zahl an Kollisionen verlässlich zu registrieren und auszuwerten, die wir erwarten. Er würde zu viele ‚falsche Myonen‘ erkennen“, erklärt Trefzger.

Schraubarbeiten im Reinraum
Damit dies nicht passiert, haben die Würzburger Physiker gemeinsam mit Kollegen in München, Freiburg und Mainz neuartige Myonkammern entwickelt und gebaut. In Würzburg wurden dafür zwei Quadratmeter große Metallnetze unter Reinraumbedingungen und mit höchster Präzision zusammengefügt. Den Zwischenraum füllt ein spezielles Gas, das den hohen technischen Anforderungen genügt.

„Das hört sich vermutlich recht banal an: Metallnetze zusammenschrauben“, sagt Trefzger mit einem Lächeln. Dabei seien die Anforderungen extrem hoch. Winzige Abweichungen könnten schließlich zu Entladungen führen, die den Messprozess stören; ein ungeeignetes Gas produziert Ablagerungen, die die Ergebnisse verfälschen, und die Erwartungen an die Haltbarkeit sind hoch: „15 Jahre sollten diese Teile mindestens funktionieren“, so Trefzger.

Zwei Monate Shutdown wegen Corona
In seiner neuen Ausbaustufe kann ATLAS nun Myon-Signale innerhalb von nur 200 Nanosekunden auslesen – vier Mal so schnell wie sein Vorgänger. Der Detektor kann also in der gleichen Zeit wesentlich mehr Ereignisse verarbeiten als bisher. Zudem verbessert sich die räumliche Auflösung und damit die Messgenauigkeit der Myon-Impulse. Somit wird es möglich sein, die physikalischen Eigenschaften der beobachteten Teilchen sehr viel genauer zu bestimmen als es bislang möglich war.

Ende 2020 waren die neuen Myonkammern fertig, dann ging erst einmal nichts voran: Coronabedingt war am LHC Shutdown angesagt. Inzwischen ist der Einbau so gut wie fertig. Zwei Mitarbeiter von Thomas Trefzger sind dafür dauerhaft vor Ort an dem Teilchenbeschleuniger zugange. Sie verkabeln die Kammern, kontrollieren den Zusammenbau, nehmen sie in Betrieb und führen eine Reihe von Tests durch. Erst wenn klar ist, dass eine Kammer funktioniert, wird sie endgültig eingebaut.

Unerwartete Ergebnisse sind die spannendsten
Beendet ist die Würzburger Beteiligung an dem gewaltigen Experiment damit nicht: „Wir sind auch an der Analyse der Daten beteiligt, die die Detektoren in den kommenden Jahren liefern werden“, sagt Trefzger. Diese Datenmenge ist gigantisch: ATLAS produziert in vollem Betrieb jährlich etwa vier Petabyte – also 4.000 Terabyte Daten, auf die die beteiligten Wissenschaftler weltweit zugreifen werden.

Ob sich in ihnen nochmal solch eine Sensation wie das Higgs-Boson verbirgt? Das lässt sich nicht vorhersagen, so Trefzger. Im Prinzip gehe es darum, die Prozesse, die sich in winzigen Bruchteilen von millionstel Sekunden nach dem Zusammenprall der Protonen vollziehen, genauer zu verstehen. Spannend werde es, wenn dabei Abweichungen von den erwarteten Ergebnissen zu sehen sind. Dann stelle sich die Frage: Ist es ein neues Teilchen?

Und wem das noch nicht spektakulär genug ist: Je höher die Energien sind, mit denen die Teilchenstrahlen in dem Beschleuniger aufeinander prallen, desto näher rücken die Physiker bildlich gesprochen an den Urknall heran. „Momentan blicken wir auf die Zustände zurück, die eine zehntausendstel Sekunde nach dem Urknall herrschten“, sagt Trefzger. Die Grundfragen – Woher kommen wir? Wie ist das Universum entstanden? Warum gibt es die Materie so, wie wir sie finden? – lassen sich damit noch nicht beantworten.

Der ATLAS-Detektor
ATLAS ist der größte Teilchendetektor, der jemals an einem Beschleuniger gebaut wurde: Er ist etwa so groß wie ein fünfstöckiges Haus. ATLAS erforscht ein breites Spektrum physikalischer Phänomene. Beispiele sind die präzise Vermessung der Eigenschaften des Higgs-Teilchens, Präzisionstests des Standardmodells der Teilchenphysik oder die Suche nach neuen Teilchen und Phänomenen. Hierzu gehören beispielsweise die Suchen nach supersymmetrischen Teilchen und nach zusätzlichen Raumdimensionen.

Hauptmerkmal von ATLAS ist das ringförmige Magnetsystem. Es besteht aus acht 25 Meter langen supraleitenden Magnetspulen, die zylinderförmig um das Strahlrohr angeordnet sind. Sie erzeugen ein ringförmiges, sogenanntes toroides Magnetfeld, das in der Kollision entstandene Myonen im äußeren Bereich des Detektors ablenkt. In einem weiteren Magnetfeld im Innern des Detektors werden die Impulse aller in der Kollision entstandenen geladenen Teilchen vermessen. Mehr als 3200 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von 177 Instituten aus 38 Ländern arbeiten am ATLAS-Experiment. Aus Deutschland sind 18 Institutionen beteiligt.

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• Large Hadron Collider

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Quelle: HTM Peenemünde.

Da das HTM bisher jedoch nicht über die dazu erforderliche Technik verfügte, hat es im Januar 2021 mit dem Landkreis Police als polnischem Projektpartner einen Förderantrag im „Sonder Call Covid 19″ bei der Kommunalgemeinschaft Europaregion Pomerania e.V. gestellt. Dieser Antrag konnte auf Grund der sehr guten Zusammenarbeit mit der Pomerania und den polnischen Partnern sehr schnell bearbeitet und realisiert werden. Unser besonderer Dank gilt dabei dem Landrat des Landkreises Police, Andrzej Bednarek, sowie Andrea Gronwald und Regina Werner von der Geschäftsstelle der Pomerania.

Das HTM verfügt nun über 2 digitale Whiteboards mit Konferenzkameras für Videokonferenzen und Onlineworkshops. Mit dem Einsatz der neuen Technik werden künftig Schüler/innen, Lehrer/innen und Lernorte aus Polen und Deutschland während gemeinsamer Workshops und Onlinetreffen auch unter den aktuellen Bedingungen miteinander kommunizieren können. Der gegenseitige Austausch und die direkten Kontakte während der Workshops sind dabei außerordentlich wichtig für eine nachhaltige Vermittlung. Auch schon bei der Entwicklung weiterer neuer Projekte werden Schüler/innen aus Polen und Deutschland mit einbezogen, so dass sie sich von Beginn an mit dem Projekt identifizieren und ein WIR-Gefühl gefördert wird.

Außerdem steht nun ein Klassensatz von 36 Multimedia-Guides mit neuen digitalen Arbeitsmaterialien in deutscher, polnischer und englischer Sprache zur Verfügung. Lehrer/innen aus Polen und Deutschland können mit diesen Geräten zukünftig auch unter Pandemiebedingungen eigenständig Projekttage mit Schüler/innen vor Ort im Museum realisieren. Sie beinhalten Arbeitsmaterialien wie speziell ausgewählte Dokumente, Film- und Tonsequenzen für einführende und vertiefende Lernangebote, aber ebenso einen Audioguide für die Ausstellungen und die App Denkmallandschaft Peenemünde.

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• Historisch-Technisches Museum Peenemünde

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Quelle: DeSK.

Ein Netzwerk wie das Deutsche Zentrum für Satelliten-Kommunikation (DeSK) lebt vom persönlichen Austausch, der Präsenz auf themenrelevanten Messen und Kongressen, diversen Veranstaltungsformaten für die Mitglieder bzw. die breite Öffentlichkeit und vor allem den ‚face-to-face‘-Gesprächen innerhalb der Branche. Seit März 2020 ist jedoch vieles schlagartig nicht mehr möglich: die etablierte Veranstaltungsreihe „DeSK-Impulse“ im Backnanger Bürgerhaus musste mehrmals verschoben werden, das Wochenend-Symposium im Haus Steinheim für interessierte Schüler*innen an MINT (Mathematik-Informatik-Naturwissenschaften-Technik)-Themen konnte Ende Oktober nicht stattfinden. Events für die Mitglieder mussten virtuell durchgeführt werden. „Wie für viele ist es auch für uns eine herausforderungsvolle Zeit, aber wir blicken positiv in die Zukunft“, erklärt Geschäftsführerin Dilara Betz.

Neue Formate wurden umgesetzt, innovative Konzepte befinden sich in der Entwicklung und Highlights, wie z.B. der SALSAT-Nanosatellitenstart der Technischen Universität Berlin im September haben der Krise getrotzt und konnten stattfinden. Ein Vorteil dabei ist, dass das DeSK bei diversen zukunftsweisenden Missionen als Unterauftragnehmer involviert ist. „Wir hoffen, in 2021 Altbewährtes erneut umsetzen zu können, so wurden z.B. die DeSK-Impulse aktuell auf Ende Juni 2021 gelegt und auch den Showroom-Betrieb werden wir sobald wie möglich wieder aufnehmen. Dazu sind in 2021 neue Formate geplant und wir arbeiten außerdem intensiv an der Akquise neuer Projekte“, so Betz weiter.

Das DeSK hat ferner Kontakte zu weiteren relevanten Stakeholdern aus Politik und Wirtschaft intensiviert sowie seine Aktivitäten im Bereich der Gremienarbeit erweitert: So ist das Netzwerk dieses Jahr innerhalb der Digital-Gipfel Community vertreten und wird ferner am virtuellen Digital-Gipfel der Bundesregierung, welcher vom 30. November bis zum 01. Dezember 2020 stattfinden wird, teilnehmen.

In 2021 hofft der Verein, dass Präsenzveranstaltungen teilweise wieder möglich sein werden. Über Formate wie die DeSK-Impulse, das Wochenend-Symposium und Showroom-Führungen wird die Geschäftsstelle die breite Öffentlichkeit in den nächsten Monaten regelmäßig informieren. Informationen zu den Aktivitäten findet man auch unter www.desk-sat.com.

Über das Deutsche Zentrum für Satelliten-Kommunikation e.V. (DeSK)
Unternehmen, wissenschaftliche Einrichtungen und Hochschulen aus dem Bereich der Satellitenkommunikation haben sich im Jahr 2008 im Deutschen Zentrum für Satelliten-Kommunikation e.V. (DeSK) zusammengeschlossen.

Ziel des DeSK ist es, die Mitglieder zur Erweiterung der Geschäftsbeziehungen zusammenzuführen sowie zu einem schlagkräftigen Netzwerk zu bündeln und dabei Synergien zu erzeugen. Außerdem werden gemeinsame Aktivitäten zur Fachkräftegewinnung durchgeführt. Ferner obliegt dem DeSK der Betrieb eines Showrooms zum Thema ‚Satellitenkommunikation‘.

Als Teil der Kompetenzzentren Initiative der Region Stuttgart wird das DeSK von der Wirtschaftsförderung Region Stuttgart GmbH (WRS) gefördert.

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• Raumfahrt-Politik in Deutschland

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Quelle: DLR.

Ein Belüftungskonzept mit Filtersystem für Klassenzimmer, Restaurants und Kinos hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Göttingen getestet. Der Test fand im Auftrag der OHB System AG, der HT Group und DASTEX statt und bestätigte die Effizienz des untersuchten Lüftungssystems im Vergleich zu einer Fensterlüftung.

Das Risiko, sich mit Krankheitserregern, die primär über die Atemwege übertragen werden, anzustecken, steigt in geschlossenen Räumen mit der Menge an Aerosolen (die so genannte Quellenstärke) und der Aufenthaltszeit an. Je höher die Menge an Aerosolen ist, desto höher ist das Ansteckungsrisiko. Um dem entgegen zu wirken, muss die Anzahl der Viren örtlich und zeitlich reduziert werden. Dies kann durch Verdünnung mit Frischluft (Lüften) oder gefilterter Luft (Raumluftfilter) erfolgen. Das OHB-HT-Konzept setzt auf das Prinzip der Verdrängungslüftung sowie effiziente Filtrierung der potentiell belasteten Raumluft.

Bei dem untersuchten Lüftungskonzept handelt es sich um ein Spin-Off aus der Raumfahrt und Medizintechnik, genauer gesagt einem Konzept für ein wirksames Filtersystem für Räume. Das Konzept „Next Generation Class Room“ ist ein möglichst einfach einzubauender Nachrüstsatz für Räume, der die Virendichte (z.B. Corona und Grippe) und damit das Übertragungsrisiko reduzieren soll. Erreicht wird dies durch ein sogenanntes vertikales Lüftungskonzept. Dabei wird Frischluft am Boden eingebracht, an der Decke abgesaugt und nach Filterung wieder bodennah zugeführt. Zusätzlich wird die vertikale Strömung in Richtung der Absaugung durch die Auftriebsströmung verstärkt, welche die im Raum befindlichen Menschen durch ihre Wärmeabgabe bewirken. So wird die Atemluft effektiv einem Filtersystem zugeführt, und die in der Atemluft enthaltenen virenbelasteten Aerosole können sich nicht unkontrolliert im Raum ausbreiten.

Verantwortlich für das neue Konzept ist Dr. Axel Müller von der OHB System AG im Bereich Cleanliness. Vereinfacht gesagt sorgt er dafür, dass Satellitenbauteile keine Verunreinigung (chemisch, partikular oder biologisch) aufsammeln und dass Wärmeeinflüsse bei hochpräzisen Messungen nicht stören. Mittel der Wahl ist eine optimierte Luftführung, die den störenden Einfluss von Wärme und Kontaminationsquellen auf das zu schützende Bauteil ausschließt.

Genau das war für Müller die Idee, für Klassenzimmer, Arztpraxen und sonstige Räume eine Ausrüstung zu konzipieren, die die Sicherheit der sich dort aufhaltenden Personen erhöht: „Zielsetzung ist, potentiell virenbelastete Luft gezielt schnell zu filtrieren und eine unkontrollierte Durchmischung im Raum zu vermeiden“, erklärt Müller.

„Als Strömungsforscher bescheinigen wir dem Konzept ein großes Potential und halten es für besser als das Lüften per Fenster“, sagt Dr. Andreas Westhoff vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Göttingen, der die Tests durchführte. Beim Fensterlüften handelt es sich um ein sogenanntes horizontales Lüften – die Luft gelangt seitlich in den Raum, verwirbelt und kann mit weiteren Personen in Kontakt kommen.

Am DLR-Institut in Göttingen, das auf eine jahrzehntelange Expertise für Lüftungssysteme insbesondere in Fahrzeugen zurückgreifen kann, hat Westhoff die erste, mehrtägige Phase der von der OHB System AG beauftragten Messkampagne betreut: „Die Untersuchung des OHB-HT-Raumlüftungskonzepts hat gezeigt, dass mit Hilfe des getesteten Prototypen eine stabile Strömung vom Menschen direkt zur Absaugung realisiert werden kann. Die vom Menschen erzeugte Auftriebsströmung unterstützt diesen Effekt. Eine unkontrollierte Ausbreitung von viren- und bakterienbelasteten Aerosolen aus der Atemluft wird reduziert. Außerdem wird die virenbelastete Luft effektiv der Filteranlage zugeführt“.

Die Messungen wurden mit beheizten Menschmodellen durchgeführt – schwarzen Dummies, die mit einem Heizdraht umwickelt sind und die Wärmeabgabe eines typischen sitzenden Menschen simulieren. „Diese Wärmeabgabe jedes Menschen erzeugt eine Auftriebsströmung, die die Strömung in einem Raum wesentlich beeinflusst“, so Westhoff. Zusätzlich wurde ein Dummy mit einem am DLR Göttingen entwickelten Atemsimulator ausgestattet.

In mehreren Szenarien (ein Klassenzimmer, ein Arzt-Warteraum, ein Gastro-Bereich sowie Kinobestuhlung) saßen bis zu 15 Dummies an Tischen. Zum Funktionsnachweis des Lüftungskonzeptes wurde eine sogenannte Rauchvisualisierung durchgeführt, um die Luftströmung sichtbar zu machen. Ergänzend hierzu wurde CO₂ als Tracer-Gas in den Raum eingelassen, um damit die Verbreitung von Aerosolen zu simulieren. Mit Hilfe von CO₂-Konzentrationsmessungen kann die Ausbreitung von virenbelasteten Aerosolen untersucht werden.

Mit dem „Next Generation Class Room“-Demonstrator erfolgen in den nächsten Wochen in Göttingen weitere Tests. So soll unter anderem auch die Ausbreitung menschlicher Spucke-Partikel simuliert werden. Parallel plant das Konsortium, den Praxistest in einer Schule oder einem Restaurant.

So funktioniert das OHB-HT-Konzept
Eine Niedrigimpuls-Belüftung wird im Raum installiert und saugt die potentiell virenbelastete Atemluft ab, filtert sie und führt sie dem Raum wieder zu. Dazu benötigt man einen Lüfter, eine HEPA-Filtereinheit (Feinstpartikelfilter) und einen Luftschlauch aus in der Raumfahrtindustrie verwendetem Textil. Optional sind eine Temperaturstabilisierung für die Sommermonate durch Kälteregister sowie LED-Bänder am Textil zur flächendeckenden enrgiesparenden Ausleuchtung.

HEPA-Filter und Textilschläuche sind wiederverwertbar und können nach fest vorgegebenen Zyklen ausgetauscht und durch fachmännische Reinigung bzw. Desinfektion wiederaufbereitet werden.

Das OHB-HT-Konzept zielt nicht nur auf den aktuellen Coronavirus ab, das System ist außerdem dafür ausgelegt, die Luftqualität hinsichtlich Pollen-, Bakterien-, Pilze und Feinstaubbelastung zu optimieren.

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• Raumfahrt und Corona-Virus

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Quelle: ESA.

In diesem Jahr wurden Satellitendaten in großem Umfang zur Überwachung der Luftqualität verwendet, dessen Schwankungen aus den strengen COVID-19-Maßnahmen hervorgingen. Der Satellit Sentinel-5P ist Teil des europäischen Copernicus-Programms und überwacht seit seinem Start im Jahr 2017 kontinuierlich die Luftverschmutzung.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Königlich-Niederländischen Meteorologischen Instituts (KNMI) und des Belgischen Instituts für Weltraum-Aeronomie (BIRA-IASB) haben Satellitendaten von Sentinel-5P und bodengestützte Daten verwendet, um den Zusammenhang zwischen COVID-19 und den Auswirkungen der Luftverschmutzung in ganz Europa zu ermitteln.

Die nachstehende Grafik zeigt die Durchschnittswerte der Stickstoffdioxidkonzentrationen in den fünf europäischen Großstädten Mailand, Madrid, Paris, Berlin und Budapest. Das obere Panel veranschaulicht die Konzentrationen im Jahr 2019 im Vergleich zu 2020 unter Verwendung von Sentinel-5P-Daten, während das untere Panel In-situ-Beobachtungen aufzeigt.

Die Grautöne kennzeichnen den Zeitraum der COVID-19-Maßnahmen im Jahr 2020, wobei schrittweise von strengen (dunkelgrau) zu lockeren (hellgrau) Maßnahmen übergegangen wird. Die rot dargestellten Prozentsätze veranschaulichen die Reduzierung im Jahr 2020 im Vergleich zu 2019 im gleichen Zeitraum.

Die Daten zeigen, dass der stärkste Rückgang von 40-50 % in der ersten Phase des Lockdowns in Südeuropa, insbesondere in Spanien, Italien und Frankreich zu verzeichnen war. Im Juli und August 2020 lagen die Konzentrationen immer noch 10 % bis 20 % unter den Werten vor der COVID-19-Pandemie.

Bas Mijling, Atmosphärenforscher am KNMI: „Die in Berlin durchgeführten Quarantänemaßnahmen führten zu einem Rückgang von etwa 20 % mit kleinen Abweichungen bis August 2020. In Osteuropa waren die Auswirkungen der Maßnahmen im Allgemeinen weniger dramatisch als in Südeuropa und in Frankreich, wo während der strengen Maßnahmen im März und April ein Rückgang von etwa 40-50 % beobachtet wurde.

„Weitere Forschungsarbeiten finden derzeit im Rahmen des ICOVAC-Projekts der ESA und der Studie über die Auswirkungen der COVID-19-Sperrmaßnahmen auf Luftqualität und Klima statt.“

Jenny Stavrakou, Atmosphärenwissenschaftlerin am BIRA-IASB, fügt hinzu: „Der Einfluss der Meteorologie auf die Stickstoffdioxid-Beobachtungen könnte erheblich sein und sollte nicht übersehen werden. Deshalb ist es notwendig, Daten über längere Zeiträume zu analysieren, um den Einfluss menschlicher Aktivitäten auf die Beobachtungen besser abschätzen zu können“.

Sie fährt fort: „Für den Vergleich der Monatsmittelwerte von 2019 und 2020 schätzen wir, dass eine Messunsicherheit von etwa 15-20 % bezüglich der durch COVID-19 ausgelösten Reduktion besteht. Durch den Vergleich der satellitengestützten und bodengestützten Daten über die Verringerung der Stickstoffdioxidkonzentrationen in verschiedenen Städten finden wir eine zufriedenstellende Übereinstimmung der Unterschiede, die innerhalb der durch die meteorologischen Schwankungen ausgelösten Messunsicherheiten liegen.

Claus Zehner, Copernicus Sentinel-5P Mission Manager der ESA, sagt: „Was wirklich bemerkenswert ist, ist die gute Übereinstimmung zwischen den Sentinel-5P-Satellitendaten und den bodengestützten Messungen. Dies zeigt, dass die Überwachung der Luftqualität aus dem Weltraum zu einer regelmäßigen Berichterstattung über die Luftqualität in den europäischen Ländern beitragen kann, was bisher nur durch bodengestützte Messungen erreicht wurde“.

Die strengen Maßnahmen in Europa zwischen März und April führten in dicht besiedelten und industrialisierten Gebieten, darunter im Ruhrgebiet in Deutschland und der Po-Ebene in Norditalien, zu einem deutlichen Rückgang der Stickstoffdioxidwerte.

Diese Rückgänge werden auf den erheblichen Einfluss des Verkehrs sowie des Industrie- und Energiesektors auf die Stickstoffdioxidwerte zurückgeführt. Die Konzentrationen scheinen im Juli-August 2020 wieder nahezu normale Werte zu erreichen, außer in Großstädten, in denen die menschlichen Aktivitäten noch nicht vollständig wieder aufgenommen wurden.

Stickstoffdioxid wird bei der Kraftstoffverbrennung aus Fahrzeugen, Kraftwerken und Industrieanlagen in die Atmosphäre freigesetzt und kann erhebliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben – was die Wahrscheinlichkeit der Entwicklung von Atemproblemen erhöht. Der Copernicus Sentinel-5P verfügt über das Tropomi-Gerät – ein hochmodernes Instrument, das den einzigartigen Fingerabdruck atmosphärischer Gase erkennt, um Luftschadstoffe genauer und mit einer höheren räumlichen Auflösung als je zuvor abzubilden.

Verwandte Meldungen bei Raumfahrer.net:

• Methan-Emissionen in Zeiten von COVID-19 (3. Juni 2020)
• COVID-19: Bis zu 90 Prozent weniger Kondensstreifen (22. Mai 2020)
• DLR: Corona-Effekt auf die Luftqualität eindeutig (5. Mai 2020)
• Weniger Luftverschmutzung in Europa (27. März 2020)
• Rückgang der Stickstoffdioxid-Emissionen über Italien (16. März 2020)

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• Raumfahrt und Corona-Virus

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Quelle: DLR.

Es ist die 35. Parabelflugkampagne des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), aber dennoch ist nichts Routine auf diesem Flug in die Schwerelosigkeit: Erstmalig müssen Wissenschaftler, Ingenieure und Crew die Herausforderungen der Forschungsarbeit in Corona-Zeiten bewältigen. Selbst im letzten Moment musste noch einmal umgeplant werden: Der für Anfang September geplante Parabelflug in Bordeaux findet nun aufgrund der stark gestiegenen Anzahl an Covid-19-Infektionen in Frankreich vom 16. bis zum 24. September 2020 vom Flughafen Paderborn-Lippstadt Airport in Nordrhein-Westfalen statt. Der Airbus A310 ZERO-G ist am Nachmittag des 16. September auf dem Flughafen in Ostwestfalen gelandet und bis Sonntag, 20. September, werden dort nun die Experimente der beteiligten Wissenschaftlergruppen final eingebaut und für die drei Flugtage in Schwerelosigkeit vorbereitet.

„Wir sind erleichtert, dass wir trotz der Umstände und der für uns alle weiterhin dynamischen Entwicklung der Pandemie in Europa den DLR-Parabelflug nicht absagen, sondern kurzfristig nach Deutschland holen konnten“, erklärt Thomas Jarzombek (MdB), Koordinator der Bundesregierung für die Luft- und Raumfahrt, und ergänzt: „Als Düsseldorfer und damit ,Kind NRWs‘ freue ich mich besonders, zu zeigen, dass Forschung im Land zwischen Rhein und Weser eine herausragende Rolle spielt.“

Zwei Tage vor dem ursprünglich geplanten Start der Kampagne am 31. August sahen sich die Verantwortlichen des DLR Raumfahrtmanagements in Bonn zwingend veranlasst, die Flüge in Frankreich aufgrund des hohen Anstiegs an Corona-Infektionen aus Sicherheitsgründen abzusagen. „Nun galt es, kurzfristig einen Ersatzflughafen zu finden, der ab dem 16. September über entsprechende Kapazitäten und die notwendigen Voraussetzungen für einen Parabelflug verfügt. Eine weitere Verschiebung der Kampagne innerhalb dieses Jahres wäre aufgrund der Verfügbarkeit des A310 ZERO-G nicht möglich gewesen“, verdeutlicht Dr. Walther Pelzer, DLR Vorstand für das Raumfahrtmanagement, die außergewöhnliche Situation. „Den Parabelflug so kurzfristig nach Paderborn zu holen, war ein enormer Kraftakt, aber alle Beteiligten – Novespace, der Flughafen Paderborn, die Wissenschaftler aus ganz Deutschland und das DLR Raumfahrtmanagement haben ihn gemeinsam bewältigt. Das zeigt, was man auch unter schwierigsten Bedingungen gemeinsam schaffen kann.“

An den drei geplanten Flugtagen – 21. bis 23. September mit einem Back-up-Tag am 24. September – sollen acht technologische, physikalische und materialwissenschaftliche Experimente von Wissenschaftsteams aus ganz Deutschland mit an Bord des A310 ZERO-G der französischen Firma Novespace sein.

Mit „SESIMAG II“ will beispielsweise ein Forscherteam der Technischen Universität Dresden eine neue Methode zur Verarbeitung Seltener Erden testen. Seltene Erden sind ein Material, das in der Natur vorkommt und das in der Hochtechnologie eingesetzt wird – etwa bei der Herstellung von Computerchips oder Solaranlagen. Bei herkömmlichen Industrieverfahren werden zur Aufbereitung dieser Erden große Mengen von Lösungsmitteln verwendet. Die Wissenschaftler wollen beim Parabelflug eine neue Methode erproben, bei welcher der Einsatz von Lösungsmitteln durch ein mechanisches Verfahren – magnetische Separation – ersetzt wird. Hierdurch könnte die Produktion von Hightech-Geräten wesentlich umweltfreundlicher werden.

„Nach heutigem Stand werden wir sofern das Wetter mitspielt an allen drei Flugtagen morgens gegen 09:30 Uhr Richtung französische Atlantikküste aufbrechen, um dort über dem freien Meer die jeweils 31 Parabeln zu fliegen. Wir werden wegen der längeren Hin- und Rückflugzeit voraussichtlich insgesamt pro Tag eher vier bis fünf Stunden unterwegs sein anstelle der sonst üblichen drei bis vier Stunden“, berichtet Dr. Katrin Stang, Parabelflugprogramm-Leiterin im DLR Raumfahrtmanagement.

AHA-Regeln und Fiebermessungen sind Flugvoraussetzung
Neben der Durchführung der Kampagne in Deutschland sorgen zahlreiche Sicherheitsvorkehrungen auf dem Parabelflug für Sicherheit. Wer in den A310 ZERO-G steigt, muss strenge Kontrollen durchlaufen: Nicht nur, dass die üblichen AHA-Regeln (Atemschutz, Hygiene, Abstand) eingehalten werden müssen – die Teilnehmer sind außerdem dazu verpflichtet, täglich Fiebermessungen durchzuführen. Die Wissenschaftsteams vor Ort wurden auf die absolut notwendigen Personen begrenzt, die zur Durchführung der Experimente notwendig sind – das sind etwa die Hälfte der Personen, die bei einer regulären Kampagne vor Ort beteiligt sind. Der Dokumentenaustausch und die Kommunikation zwischen den Teilnehmern erfolgt – wo möglich – elektronisch oder per Telefon. Die Sicherheitseinweisung für alle Teilnehmer wird außerdem erstmalig als Videobriefing durchgeführt.

„Für uns Wissenschaftler waren vor allem die Verschiebung des Parabelflugs um mehrere Wochen und die Schließung der Labore und Einrichtungen im Corona-Lockdown hinderlich für unsere Experiment-Vorbereitungen“, so Christina Knapek vom DLR Institut für Materialphysik im Weltraum. „Experimentanlagen müssen für den Flugtag punktgenau vorbereitet werden. Das ist allerdings nicht ganz einfach, wenn die Labore geschlossen sind.“

Verwandte Meldungen bei Raumfahrer.net:

• Von Dübendorf aus in die Schwerelosigkeit fliegen (11. Juni 2020)
• 20 Jahre DLR-Parabelflug (17. September 2019)
• Herausforderung Trennung von Gas und Flüssigkeit (21. März 2019)
• Freischwebende Blasen und Luftsprünge (15. März 2019)
• Zehn Jahre DLR-Parabelflüge (3. Februar 2009)

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• Parabelflüge

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Quelle: ETH Zürich / Peter Rüegg.

Auf der Oberfläche der Venus entdeckten Planetenforscher schon vor Jahren auf hochauflösenden Bildern der Nasa-​Mission «Magellan» eigenartige ringförmige Strukturen. Coronae (lat. Kronen; Einzahl: Corona) werden diese genannt, und ETH-​Forschende um Taras Gerya, Professor für Geophysik am Departement Erdwissenschaften, erforschten vor einigen Jahren mithilfe von Computermodellen, wie diese Strukturen entstanden sein könnten (vgl. ETH News, 21. Februar 2014).

Bis heute gehen die meisten Forschenden davon aus, dass sogenannte Mantelplumes, die tief aus dem Inneren des Planeten aufsteigen, die kreisförmigen Strukturen an der Oberfläche hervorbringen.

Mantelplumes sind Säulen aus heißem, geschmolzenen Gestein, das durch Konvektionsbewegungen im unteren Mantel bis zur Kruste gelangt. Dort breitet sich der oberste Teil der Säule pilzförmig aus. Die mitgeführte Hitze schmilzt die darüberliegende Kruste kreisförmig auf. Kontinuierlich aus der Tiefe emporsteigendes Material verbreitert den Kopf des Plume und weitet die Ringstruktur auf der Oberfläche aus – eine Corona entsteht. Die harte Kruste, welche den Mantelplume umgibt, zerbricht und taucht schließlich unter den Rand der Corona ab, was lokal tektonische Prozesse in Gang setzt.

Coronae-​Vielfalt mit dem Computer simuliert
Doch die Topografie von Coronae sind mitnichten homogen oder einfach zu beschreiben. «Auf der Venus-​Oberfläche kommen solche Strukturen in einer großen Vielzahl von Formen und Größen vor», sagt Anna Gülcher, Doktorandin in Geryas Forschungsgruppe.

Mit Hilfe eines größeren Satzes von verbesserten 3D-​Simulationen hat Gülcher die Coronae deshalb erneut untersucht, um die Vielfalt der Oberflächentopografie mit darunter ablaufenden Prozessen zu verknüpfen. Ihre Studie ist soeben in der Fachzeitschrift «Nature Geoscience» erschienen.

Die neuen Simulationen zeigen, dass die Topografie einer Corona davon abhängt, wie dick und stark die Kruste an der Stelle ist, an welcher ein Mantelplume auftrifft. Dabei ging klar hervor, dass die Coronae-​Topografien davon abhängen, wie aktiv die darunterliegende Magmasäule ist.

Aktive Plumes bilden Feuerring der Venus
Diese Unterscheidung erlaubte es der Forscherin und ihren Kollegen, über hundert große Coronae der Venus in zwei wesentliche Gruppen einzuteilen, nämlich solche, unter denen derzeit ein aktiver Plume aufsteigt und geschmolzenes Material mitführt, und jene, unter denen der Plume erkaltet und inaktiv geworden ist. «Jede Corona-​Struktur hat eine spezifische Signatur, die anzeigt, was darunter vor sich geht», sagt Gülcher.

Alle aufgrund ihrer Aktivität eingeteilten Coronae trug die Forscherin auf einer Venus-​Karte ein. Zu ihrer Überraschung konnte sie die meisten der Strukturen, die über aktiven Mantelplumes liegen, auf einem Gürtel in der unteren Hemisphäre der Venus verorten. Nur wenige aktive liegen außerhalb dieses Bandes. Gülcher: «Wir nannten es deshalb in Anlehnung an den ‘Pazifischen Feuerring der Erde’ den ‘Feuerring der Venus’.» Sie geht davon aus, dass der Feuerring der Venus mit einer Zone zusammenfällt, in der besonders viel Plume-​Material aufstößt.

Es sei jedoch wichtig zu beachten, dass auf der Erde die Plattentektonik für die Lage und Dynamik des Feuerrings verantwortlich sei. Auf der Venus sei es vertikaler Hotspot-​Vulkanismus, der auf der Erde nur an wenigen Orten vorkomme.

Weshalb sich die Mantelplumes auf der Venus genau in solch einem Gürtel anordnen und was dies heißt in Bezug auf Prozesse, die sich tief im Inneren dieses Planeten abspielen, ist eine wichtige Frage. Diese könnte in künftigen Studien mit Computersimulationen im großen Maßstab angegangen werden, erklärt Gülcher.

Quelle: ETH Zürich

Große Rechenkapazität erforderlich
In ihren Modellen simulieren die Forschenden nur wenige hundert Kilometer des obersten Teils eines Mantelplumes. In Realität aber könnten solche Magmasäulen über 1000 Kilometer lang sein. «Die gesamte Länge zu simulieren, kommt aufgrund der erforderlichen Rechenkapazität nicht in Frage», sagt Gülcher. Schon die aktuellen Simulationen sind achtmal größer als bisherige. Gerechnet wurden sie auf dem Euler-​Cluster der ETH.

Von ihren Erkenntnissen erhoffen sich die Planetenforschenden auch neue Einsichten darüber, wie Mantelplumes im Inneren der Erde funktionieren. Sie dürften verantwortlich sein für die Entstehung von Hotspot-​Vulkanismus wie er sich beim Hawaiianischen Inselarchipel äußert. Mantelplumes könnten zudem ein Auslöser für die auf der Erde beobachtete Plattentektonik gewesen sein, wie die Forschungsgruppe von Taras Gerya ebenfalls mit Hilfe von Simulationen aufzeigte. Wie damals erwähnt, könnte die Venus als Modell für die Prozesse dienen, die sich auf der frühen Erde abgespielt haben könnten.

Literaturhinweis
Gülcher A, et al. Corona structures driven by plume–lithosphere interactions and evidence for ongoing plume activity on Venus. Nature Geoscience, online publiziert 20. Juli 2020. DOI: 10.1038/s41561-​020-0606-1

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• Planet Venus

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Quelle: OHB SE.

Bremen, 25. Juni 2020. „Asteroiden, Weltraumschrott und Weltraumwetter – die Gefahren aus dem All sind vielseitig und, im schlimmsten Falle, desaströs für das Leben auf der Erde. Ich halte den Asteroid Day für eine wichtige Plattform, mit der die Öffentlichkeit über dieses Thema informiert und kluge Köpfe versammelt werden, um gemeinsam Lösungen zu entwickeln“, sagt Marco Fuchs, Vorstandsvorsitzender der OHB SE, vor dem Hintergrund des Asteroid Day. OHB ist zum vierten Mal Partner dieser Veranstaltung.

Zweck dieses von der UN anerkannten internationalen Gedenktages am 30. Juni ist, das öffentliche Bewusstsein für Asteroiden und ihre Rolle in unserem Sonnensystem zu schärfen, die Notwendigkeit und den Nutzen der Asteroidenforschung darzustellen, Verfahren zum Schutz der Menschheit vor Asteroideneinschlägen zu entwickeln und künftige Erkundungsmissionen zu erleichtern.

Die reale, irdische Bedrohung durch die Corona-Pandemie zwingt die Macherinnen und Macher des Asteroid Day zu einer rein virtuellen Ausgabe. Über Live-Video-Konferenzen kommen beim Asteroid Day 2020 Live Digital auch in diesem Jahr wieder Vertreter aus Wissenschaft, Forschung, Technologie, Raumfahrtagenturen und Öffentlichkeit zusammen. Das vielseitige Programm informiert über Asteroiden und die von ihnen potentiell ausgehenden Gefahren.

DART & Hera: ein Duo, das Zukunft schreiben will
„Die Mission Hera ist Europas Beitrag zu einer gemeinsamen, zeitlich versetzten ‘planetary defense‘-Mission mit der NASA zur Verteidigung unseres Planeten und damit ein sehr spezifischer Beitrag zur Abwehr von Asteroideneinschlägen. Ich bin stolz, dass OHB hier dabei ist und einen Beitrag zum Schutz unseres Planeten vor den Gefahren aus dem Weltraum leisten kann“, erklärt Marco Fuchs. Mit der amerikanisch-deutschen Doppelmission DART/Hera, wird eine konkrete Mission vorbereitet und umgesetzt, mit der erstmalig demonstriert werden soll, wie Asteroiden von ihrer Flugbahn abgelenkt werden können. „Ein erster, aber wichtiger Schritt, schließlich sind wir es kommenden Generationen schuldig, unsere verfügbare Technologie zu nutzen und zu erproben, damit wir am Tag X, wenn tatsächlich ein Asteroid Kurs Erde nimmt, handlungsfähig sind“, ergänzt der OHB-Chef.

Das deutsche Raumfahrtunternehmen OHB System AG ist industrieller Hauptauftragnehmer bei der ESA-Mission Hera, deren gleichnamiger Satellit 2024 in den Weltraum aufbrechen soll, um die neue Flugbahn des natürlich nur minimal abgelenkten Asteroiden zu vermessen und seine Zusammensetzung mit zwei in seiner Nähe ausgesetzten Sonden zu erforschen. Die NASA-Mission DART startet bereits im nächsten Jahr in den Weltraum.

Viel los, da oben!
Etwa 1.000 neue Asteroiden gelangen jedes Jahr in unser Planetensystem. Mehr als 900 potenziell gefährliche sogenannte Near Earth Objects (NEOs) werden überwacht. Mit dem ersten von OHB Italia entwickelten und gefertigten Flyeye Teleskop der ESA sollen von Sizilien/Italien aus die Beobachtungen dieser Himmelskörper mit einem Durchmesser von bis zu 100 Metern unterstützt werden. Nach wissenschaftlichen Erkenntnissen kommt es statistisch gesehen aber nur alle paar Jahrhunderte zu einem Einschlag eines größeren Asteroiden, der enorme Schäden auf der Erde verursachen kann. Wichtig ist trotzdem, mehr über diese Himmelskörper zu lernen – das fängt bei ihrer Entdeckung und Identifizierung an, geht über Kenntnisse bezüglich ihrer Flugbahnen bis hin zu ihrer Zusammensetzung.

So geht Asteroid Day 2020!
Schon seit Anfang Juni gibt es mit Asteroid Day TV auf www.asteroidday.org und über Satellit ein informatives, englischsprachiges Programm rund um Asteroiden und ihre Erforschung und wie sich die Menschheit gegen die Gefahren aus dem Weltraum wappnen will. Am 30. Juni gibt es bei Asteroid Day Live Digital aus Luxemburg zwischen 13:00 und 18:00 Uhr CET sieben von der ESA und von Asteroid Day organisierte Diskussionsrunden, verschiedene Filmbeiträge sowie Einzelinterviews.

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• Erdnahe Asteroiden (NEOs)

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Quelle: DLR.

Normalerweise wären die Forschenden jetzt in Toulouse, da sie nur von dort aus ihr Plasmakristall-Labor PK-4 steuern können, das sich seit 2015 an Bord der Internationalen Raumstation ISS befindet. Die Corona-Pandemie machte die Reise von Oberpfaffenhofen zum CADMOS-Kontrollzentrum nach Frankreich jedoch unmöglich. Die monatelang vorbereiteten Experimente in der Schwerelosigkeit drohten auszufallen. Doch die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) erhielten „naheliegende“ Unterstützung: Die Standortkollegen vom Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum stellten ihre Ressourcen zur Verfügung und richteten ein „Homeoffice“ der besonderen Art ein. Nun hat die Forschungsgruppe vom DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum ihre einwöchige Versuchsreihe erfolgreich abgeschlossen – von Oberpfaffenhofen aus, unter Berücksichtigung sämtlicher COVID-19 Schutzmaßnahmen. Dank der speziell eingerichteten IT- und Kommunikationskanäle konnten sie die Messungen am Bildschirm mitverfolgen und den Ablauf abstimmen – als ob sie im Kontrollraum von Toulouse säßen. Die Experimente an Bord der ISS führte der russische Kosmonaut Anatoli Ivanishin unter Anleitung der Plasmaforscher durch.

„Das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum war ein Glücksfall für uns in Oberpfaffenhofen. Die Kolleginnen und Kollegen haben uns in dieser Ausnahmesituation wunderbar unterstützt und hier erstmals die wissenschaftliche Betreuung übernommen. Wir freuen uns sehr, dass wir per Video- und Tonübertragung durchgehend mit der Experimentsteuerung im Kontrollzentrum von Toulouse und mit Kosmonaut Anatoli Ivanishin auf der ISS verbunden waren“, sagt Dr. Mikhail Pustylnik, PK-4 Projektwissenschaftler in der DLR-Forschungsgruppe Komplexe Plasmen am DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum. Die erfolgreiche Zusammenarbeit ist auch ein Resultat der langjährigen Erfahrungen: Die Forschungsgruppe führte ihre mittlerweile zehnte Messkampagne in der Schwerelosigkeit durch und verbucht somit ein rundes Jubiläum. Mit dem Betrieb des europäischen Columbus-Moduls betreut das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum bereits die ESA-Experimente auf der ISS und kennt das PK 4-Labor.

Lehrbuchwissen der Zukunft
Plasma ist ionisiertes Gas aus dem rund 99 Prozent der sichtbaren Materie des Weltalls beschaffen ist. Sterne wie die Sonne bestehen aus Plasma. Wenn in dem leitfähigen Gas zusätzlich Staubteilchen oder andere Mikropartikel enthalten sind, werden diese hoch aufgeladen und es entsteht ein „komplexes Plasma“: In der Schwerelosigkeit können sich die Teilchen frei im Raum ausbreiten und bilden geordnete dreidimensionale Kristallstrukturen. Die Teilchen verhalten sich dabei ähnlich wie Atome in einem Festkörper oder einer Flüssigkeit. Die Aufzeichnungen des Plasmakristall-Labors PK-4 machen diese Vorgänge sichtbar. Mit jeder neuen Experimentreihe gewinnt die Plasmaforschung fundamentale Erkenntnisse für das Lehrbuchwissen der Zukunft. Daraus lassen sich vielfältige Anwendungen ableiten, unter anderem Plasmatechnologien für die Mikrochip-Produktion, den medizinischen Bereich oder für künftige Raumfahrtmissionen.

Die aktuellen Strömungsversuche mit PK-4 könnten zum Beispiel dabei helfen, die Ausbreitung von Schockwellen besser zu verstehen. ISS-Besatzungsmitglied und Experimentator Ivanishin heizte die Mikroteilchen mit kurzen elektrische Pulsen auf, um sichtbar zu machen, wie sich die kinetische Energie bei einer Schockwelle ausbreitet und welche Wechselwirkungen auf Teilchenebene stattfinden. Das Einsetzen und Abklingen von turbulenten Strömungen wurde in mehreren Versuchen ergänzend untersucht.

Mithilfe von Laserstrahlen erzeugte das Experimentteam außerdem Scherflüsse in der komplexen Plasma-Flüssigkeit. Die Messungen bauen auf den Ergebnissen der vergangenen Experimentreihe auf und geben Aufschluss über die Zähigkeit von Flüssigkeiten. Neben der Oberflächenspannung gehört diese Viskosität zu den wichtigsten Eigenschaften einer Flüssigkeit. Zusätzlich untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des DLR die dynamischen Strukturen von Plasmakristallen. Kosmonaut Ivanishin nutze dazu eine neue Experimentmöglichkeit, um Plasmakristalle zu zerstören. Er schaltete den Strom an der Plasmakammer aus, um die Gasentladung zu stoppen und schaltete den Strom dann sofort wieder an. In der tomographischen 3D-Aufzeichnung können die Forscher genau nachvollziehen, wie die Plasmakristalle dadurch schmelzen und re-kristallisieren, wenn die Ladung wieder aktiviert wird.

Über das Projekt
Das Plasmakristall-Labor PK-4 ist eine Kooperation der europäischen Weltraumorganisation ESA – European Space Agency und der russischen Raumfahrtbehörde ROSKOSMOS, unter wissenschaftlicher Führung der Gruppe Komplexe Plasmen des DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum (ehemals am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, MPE) und der russischen Akademie der Wissenschaften (Joint Institute for High Temperatures, JIHT). Die experimentelle Hardware ist eine Eigenentwicklung der DLR-Gruppe während ihrer Zeit am MPE und der OHB System AG (ehemals Kayser Threde). PK-4 wird durch ESA und ROSKOSMOS finanziert. Zusätzliche Finanzierung des Projektes in Deutschland erfolgte durch das Raumfahrtmanagement des DLR und der Max-Planck-Gesellschaft.

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• ISS Forschung & Forschungseinrichtungen

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Quelle: Universität Stuttgart.

Die SOFIA-Projektleitung hat entschieden, den diesjährigen Einsatz des Observatoriums in Christchurch, Neuseeland, aufgrund der anhaltenden Bedenken im Zusammenhang mit der COVID-19-Pandemie abzusagen. Weltweites Reisen des multinationalen SOFIA-Teams unter Berücksichtigung der strengen Quarantänebeschränkungen haben sich als zu schwierig erwiesen, ohne ein inakzeptables Risiko für das Team und die wissenschaftlichen Ziele einzugehen. „Die Entscheidung, die diesjährige Beobachtungskampagne in Neuseeland abzusagen ist uns nicht leichtgefallen“, so Bernhard Schulz SOFIA Science Mission Operation Deputy Director der Universität Stuttgart. „Zum Glück können aber einige der wissenschaftlichen Programme mit höchster Priorität im laufenden Zyklus 8 tatsächlich auch von Palmdale aus über die nördlichen Sommer- und Herbstmonate abgeschlossen werden.“

In der Regel wird das SOFIA Observatorium jedes Jahr etwa von Juni bis August nach Neuseeland verlegt, um dort Himmelsobjekte zu untersuchen, die am besten oder ausschließlich von der südlichen Hemisphäre aus detektiert werden können und um die optimalen Beobachtungsbedingungen während der Wintermonate der südlichen Hemisphäre, einschließlich langer Nächte, zu nutzen. Beobachtungen, die für dieses Jahr von Neuseeland aus durchgeführt werden sollten und nicht von der Nordhalbkugel machbar sind, werden für zukünftige Einsätze von Christchurch aus eingeplant. „Die wissenschaftlichen Daten, die wir in Neuseeland sammeln, sind immer von ganz besonderer Qualität. Daher freuen wir uns auf eine Rückkehr im nächsten Jahr“, so Bernhard Schulz.

SOFIA hatte aufgrund der COVID-19-Situation seinen Betrieb vorrübergehend zum 19. März 2020 ausgesetzt. In der Zwischenzeit hat das SOFIA-Team neue Flugpläne erstellt und bereitet sich derzeit auf die baldige Rückkehr zum Beobachtungsbetrieb vor. Das SOFIA-Wissenschaftszentrum ist weiterhin voll einsatzfähig und unterstützt Dienste wie den Betrieb der Datenpipeline, das Helpdesk und die Benutzerunterstützung.

Über SOFIA
SOFIA, das Stratosphären Observatorium Für Infrarot Astronomie, ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR; Förderkennzeichen 50OK0901, 50OK1301 und 50OK1701) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird auf Veranlassung des DLR mit Mitteln des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages und mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Der wissenschaftliche Betrieb wird auf deutscher Seite vom Deutschen SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert, auf amerikanischer Seite von der Universities Space Research Association (USRA). Die Entwicklung der deutschen Instrumente ist finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR.

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Quelle: ESA.

Kohlenstoffdioxid entsteht in der Regel durch die Verbrennung fossiler Energieträger, deren Produktion zu den größten Verursachern von Methan-Emissionen gehört. Laut des letztjährigen Berichts „State of the Global Climate“ der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) betragen die derzeitigen Kohlenstoffdioxid- und Methan-Konzentrationen heute 150 % bzw. 250 % des vorindustriellen Niveaus vor 1750.

Die Überwachung von Methan ist also überaus wichtig. Deshalb arbeiten Forscherteams des SRON und von GHGSat seit Anfang 2019 an der Entdeckung von Methan-Hotspots. Das SRON-Team nutzt Daten des Copernicus-Satelliten Sentinel-5P, um Emissionen weltweit ausfindig zu machen, während das GHGSat-Team die Daten der GHGSat-Satelliten auswertet, um die Emissionen zu quantifizieren und bestimmten Anlagen zuzuordnen.

Im Zuge dieser Kollaboration wurden auch im Jahr 2020 mehrere neue Hotspots entdeckt, zum Beispiel über einem Kohlebergwerk in China. Die Forschenden haben darüber hinaus Methan-Emissionen über dem Permbecken – der größten ölproduzierenden Region in den USA – identifiziert. Sie beobachteten die Konzentrationen im März und April 2020 und verglichen diese mit denen im entsprechenden Vorjahreszeitraum, um herauszufinden, inwieweit sich die Aktivitäten im Zuge der COVID-19-Pandemie auf die Methan-Emissionen auswirken.

Eine erste Auswertung der Daten zeigt, dass die Methan-Konzentrationen im Jahr 2020 erheblich höher waren als 2019. Claus Zehner, ESA-Missionsmanager für Copernicus Sentinel-5P, sagt dazu: „Eine Erklärung für diesen Anstieg könnte sein, dass das Gas, aufgrund der geringeren Nachfrage in Zeiten von COVID-19, verbrannt und entlüftet wird – was zu höheren Methan-Emissionen über diesem Gebiet führt.“

Ilse Aben vom SRON ergänzt: „Wenn man nur die Sentinel-5P-Daten für das Permbecken nutzt, sind diese Ergebnisse allerdings nicht eindeutig, da die Anzahl der Beobachtungen begrenzt ist.“

Die räumliche Verteilung der von Sentinel-5P beobachteten Konzentrationen zeigen sowohl für 2020 als auch für 2019 lokale Anstiege der Methan-Konzentrationen in den Permbecken-Abschnitten in Delaware und Midland. Will man diese Anstiege bestimmten Anlagen zuordnen, braucht man allerdings höherauflösende Messungen, wie die von GHGSat.

Die gemeinsame Analyse der regionalen Methan-Daten von GHGSat und Sentinel-5P wird weiterhin dabei helfen, die Auswirkungen von COVID-19 auf die Emissionen der Erdgasindustrie zu erforschen und zu quantifizieren – und zwar herunter bis auf die Ebene einzelner industrieller Anlagen.

Stephane Germain, CEO von GHGSat, erläutert: „GHGSat arbeitet weiterhin eng mit der ESA und dem wissenschaftlichen SRON-Team für Sentinel-5P zusammen. Damit bringen wir die wissenschaftliche Verwendung von Satellitenmessdaten der Treibhausgase in der Atmosphäre voran und stellen industriellen Betreiberinnen und Betreibern gleichzeitig praktische Informationen zur Verfügung, damit diese die Emissionen ihrer Anlagen gezielt reduzieren können. Die nächsten GHGSat-Satelliten, die im Juni und Dezember 2020 ins All starten sollen, werden unser kollektives Verständnis zu industriellen Emissionen auf der ganzen Welt noch weiter verbessern.“

Eric Laliberté, Director General Utilization bei der kanadischen Raumfahrtbehörde Canadian Space Agency (CSA), sagt: „Die Canadian Space Agency hat sich der Entwicklung von Weltraumtechnologien und der Unterstützung innovativer Missionen verschrieben, die dabei helfen, den Klimawandel besser zu verstehen und diesem entgegenzuwirken. Die von GHGSat erzielten Ergebnisse haben bereits erste Auswirkungen und wir freuen uns sehr, die Zusammenarbeit mit GHGSat und der ESA fortzuführen – um die Treibhausgasemissionen auf der ganzen Welt besser zu verstehen.“

Claus Zehner fügt hinzu: „Um die GHGSat-Messdaten noch besser wissenschaftlich nutzen zu können, hat die ESA gemeinsam mit der Canadian Space Agency und GHGSat ein sogenanntes Announcement of Opportunity, also eine Ausschreibung, organisiert. In diesem Rahmen sollen der Wissenschaftsgemeinde etwa 5 % der Messkapazitäten des nächsten kommerziellen Satelliten GHGSat-C1, der auch Iris-Satellit genannt wird, zur Verfügung gestellt werden.“

Der Copernicus-Satellit Sentinel-5P kann mit seinem hochmodernen Instrument Tropomi auch andere Schadstoffe messen, zum Beispiel Stickoxide, Kohlenstoffmonoxid, Schwefeldioxid und Aerosole – die alle unsere Luftqualität beeinträchtigen.

Über die Sentinel-Satelliten des Copernicus-Programms
Die Sentinel-Satelliten sind eine Flotte von Systemen in Eigentümerschaft der EU. Sie liefern eine Fülle von Daten und Bildern, die das Herzstück des EU-Umweltprogramms Copernicus darstellen. Die Europäische Kommission leitet und koordiniert das Programm, das darauf abzielt, das Umweltmanagement zu verbessern und so unser aller Leben zu schützen. Die ESA ist für die Raumfahrtkomponente des Programms verantwortlich und entwickelt in diesem Rahmen im Auftrag der Europäischen Union die Sentinel-Satelliten und stellt sicher, dass die von ihnen gesammelten Daten für die Copernicus-Dienstleistungen zur Verfügung stehen. Der Betrieb der Sentinel-Satelliten wurde der ESA und EUMETSAT übertragen.

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• Klimawandel

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Quelle: DLR.

Reisebegrenzungen zur Eindämmung der CoViD19-Pandemie führten seit Mitte März 2020 zu einem massiven Rückgang des globalen Luftverkehrsaufkommens. Für April 2020 gibt die europäische Flugsicherungsbehörde EUROCONTROL gegenüber dem Anfang des Vormonats einen Rückgang des Lufttransportvolumens in Europa um fast 90 Prozent an. Forscherinnen und Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben nun den Einfluss des reduzierten Luftverkehrs auf die Bildung von Kondensstreifen über Europa anhand der Messung von Wolkeneigenschaften analysiert. Sie nutzten dafür Daten des Sensors SEVIRI auf dem Wettersatelliten Meteosat Second Generation (MSG) vom 16. April 2020. An diesem Tag war die Atmosphäre über Europa genügend kalt und feucht, so dass sich hinter den Flugzeugen langlebige Kondensstreifen bilden konnten. Die Analysen zeigen einen Rückgang der Anzahl der gebildeten Kondensstreifen auf etwa ein Zehntel im Vergleich zum Normalbetrieb.

„Die Beobachtungen der derzeitig reduzierten Kondensstreifenbedeckung erlauben es uns, die Genauigkeiten der Datenanalyse des MSG-Wettersatelliten und des verwendeten Modells zu prüfen, um zukünftig die Klimawirkung von Kondensstreifen noch detaillierter zu bestimmen“, erklärt Prof. Dr. Christiane Voigt vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre in Oberpfaffenhofen. „Da neben den CO₂-Emissionen die Kondensstreifen etwa die Hälfte des Klimaantriebs des Luftverkehrs ausmachen, erwarten wir bei so wenig Luftverkehr einen deutlichen Rückgang des Klimaeffekts der Luftfahrt.“ Rund fünf Prozent trägt der reguläre weltweite Flugverkehr bisher zur Klimaerwärmung bei.

Die Forscher verglichen die Satellitenmessungen mit einem am DLR-Institut für Physik der Atmosphäre entwickelten Modell, welches basierend auf aktuellen Flugverkehrsbewegungen und Wetterdaten die Abdeckung durch natürliche Wolken und durch die vom Luftverkehr verursachten Kondensstreifenzirren berechnet. „Es zeigte sich eine weitgehende Übereinstimmung der Satelliten- mit den Modelldaten. Das Modell gibt die regionalen Strukturen und die gemessenen Werte der optischen Dicken der Wolken recht gut wieder“, erläutern Dr. Luca Bugliaro und Prof. Dr. Ulrich Schumann vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre. Zusätzlich konnte mit dem Modell ein Szenario mit dem teils zehnfach höheren Luftverkehrsaufkommen am selben Tag des Vorjahres 2019 gerechnet werden, wobei in der Simulation die meteorologischen Bedingungen gleich gehalten wurden, um allein den Verkehrseffekt zu identifizieren. Die Berechnungen zeigen anschaulich eine erheblich größere Abdeckung mit Kondensstreifenzirren und erhöhte optische Dicken der Eiswolken. Diese Unterschiede zeigen, dass bei dem zum Vergleich genommenen höheren Luftverkehrsaufkommen von 2019 zehnmal mehr Kondensstreifen entstanden wären. Gewichtet mit den optischen Dicken wäre der Bedeckungsgrad der sich teils überlappenden Kondensstreifen dabei viermal größer.

Wie genau sich 2020 die reduzierte Bedeckung durch Kondensstreifen und Kondensstreifenzirren auf den Strahlungshaushalt der Erde auswirkt, wollen die Wissenschaftler in den nächsten Monaten anhand weiterer Satellitendaten und Analysen genauer bestimmen. Dafür messen sie unter anderem aus dem Weltall die von der Erde emittierte Wärmestrahlung im Vergleich zur einfallenden Sonnenstrahlung. „Wir hoffen in dieser besonderen Situation mit wenig Flugverkehr durch eine große Anzahl an Messungen direkt den Rückgang der Kondensstreifen im Wärmehaushalt der Erde nachweisen zu können“, erläutert Prof. Dr. Markus Rapp, Direktor des DLR-Instituts für Physik der Atmosphäre.

Winzige Eiskristalle in kalter Luft

Kondensstreifen bestehen weitgehend aus winzigen Eiskristallen, die in kalter Luft bei Temperaturen unterhalb von etwa -42 Grad Celsius aus den Abgasen eines Flugzeugs entstehen. Zunächst kondensiert der Wasserdampf auf Rußpartikeln in den Abgasen zu kleinsten Wassertröpfchen. Nach Abkühlung der Triebwerksabgase durch Vermischung mit der Umgebungsluft gefrieren die darin sich bildenden Tröpfchen rasch zu Eiskristallen. Ist die umgebende Luft genügend feucht (eisübersättigt), so nehmen die Eispartikel Wasserdampf aus der Umgebung auf, wachsen an, breiten sich aus und nehmen wolkenähnliche Formen an, die sich wie ein Schal um die Erde legen.

Diese Kondensstreifenzirren halten einen Teil der Wärmestrahlung der Erde in der Atmosphäre und bewirken so einen positiven Klimaantrieb, eine Erwärmung. Da sie auch Sonnenlicht reflektieren, wirken sie teils kühlend. Aktuell ist der Beitrag der Kondensstreifenzirren zum gesamten Strahlungsantrieb des Luftverkehrs von ähnlicher Größe wie der Strahlungsantrieb durch das CO₂, welches seit Anbeginn der Luftfahrt von Flugzeugen ausgestoßen wurde. Anders als CO₂, mit Lebensdauern von über 100 Jahren in der Atmosphäre, lösen sich Kondensstreifen in der Regel innerhalb von Minuten bis Stunden wieder auf, so dass ihr Klimaeffekt bei einem Verkehrsrückgang schnell reduziert wird. Das DLR untersucht auch, wie sich Kondensstreifen durch Routen um feuchte Luftbereiche herum vermeiden lassen.

Ergänzend soll auch die Änderungen der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre aufgrund des reduzierten Luftverkehrs bei einer Flugzeugmission mit den Forschungsflugzeugen Falcon und HALO erforscht werden.

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• Raumfahrt und Corona-Virus

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Quelle: ESA.

Man könnte annehmen, dass Bau und Tests von Satelliten wie in vielen anderen Industriezweigen auf Eis gelegt wurden, aber Ingenieure und Wissenschaftler finden Wege, um die bevorstehenden europäischen Satellitenmissionen weiter vorzubereiten, so wie die nächsten Copernicus-Sentinels.

So wird zum Beispiel der Satellit Copernicus Sentinel-6 mit dem Namen Michael Freilich, dessen Start noch für Ende dieses Jahres geplant ist, derzeit getestet, um sicherzustellen, dass er den Strapazen des Starts, während seines Einsatzes in der Erdumlaufbahn und der rauen Umgebung des Weltraums standhalten wird.

Der neue Satellit wird die Rolle einer Referenzmission übernehmen, um kritische Daten für die Langzeitaufzeichnung von Höhenmessungen der Meeresoberfläche zu liefern.

Als eine der schwerwiegendsten Folgen des Klimawandels steigt der globale Meeresspiegel – und gefährdet damit Millionen von Menschen. Es ist unerlässlich, die sich verändernde Höhe der Meeresoberfläche weiter zu messen, um diesen besorgniserregenden Trend zu überwachen, damit Entscheidungsträger geeignete Maßnahmen zur Eindämmung des Klimawandels ergreifen können.

Die durch die COVID-19-Krise auferlegten Einschränkungen bedeuten, dass sich weit weniger Ingenieure im Reinraum befinden, die den Satelliten im Zentrum der IABG bei München in Deutschland testen.

Pierrik Vuilleumier, Projektleiter der ESA-Mission Copernicus Sentinel-6, sagte: „Die gegenwärtige Situation hat dazu geführt, dass viele von uns die Testkampagne aus der Ferne verfolgen müssen. Da es sich um eine internationale Mission handelt, sind die Menschen über Europa und die USA verstreut.“

„Bemerkenswerterweise haben wir einen wichtigen Meilenstein erreicht, indem wir die akustischen Vibrationstests abgeschlossen haben, die die lärmintensive Umgebung beim Start und Aufstieg durch die Atmosphäre simulieren. Dies zeigt, dass das Team trotz der schwierigen Umstände entschlossen ist, den Starttermin im November einzuhalten.“

Copernicus Sentinel-6 steht nun für die nächste Testreihe bereit, zu der auch die Tests zur elektromagnetischen Verträglichkeit gehören. Wenn diese Tests abgeschlossen sind, wird er Ende September zur Vandenberg Air Force Base in Kalifornien transportiert, wo er mit einer von der NASA zur Verfügung gestellten Space-X Falcon 9-Rakete starten wird.

Der Sentinel-6 Michael Freilich wird gemeinsam von der ESA, NASA, EUMETSAT und der National Oceanic and Atmospheric Administration, mit Unterstützung des Centre National d’Etudes Spatiales entwickelt.

Trotz der schärferen Maßnahmen durch COVID-19 wurde auch ein weiterer Erfolg erzielt – diesmal für den Copernicus-Satelliten Sentinel-3D, der von Thales Alenia Space in Rom nach Cannes transportiert wurde.

Derzeit befinden sich zwei Sentinel-3-Satelliten im Orbit: Sentinel-3A und Sentinel-3B. Sie arbeiten als Paar, um Ozeane, Landmassen, Eis und Atmosphäre der Erde systematisch zu messen, um die große globale Dynamik zu beobachten und zu verstehen und um wichtige Informationen in Beinahe-Echtzeit für Meeres- und Wettervorhersagen zu liefern.

Um die Kontinuität zu gewährleisten, werden sie schließlich durch Sentinel-3C und Sentinel-3D ersetzt werden. Daher wird an der Vorbereitung dieser nächsten Satelliten gearbeitet.

Nic Mardle, ESA-Projektleiterin für Copernicus Sentinel-3, sagte: „Zu Beginn der Restriktionen arbeitete das Thales-Team in Italien besonders hart daran, alles für Sentinel-3D fertigzustellen, bevor eine vollständige Sperre verhängt wurde. Einzelne Schichten ohne Übergabe erlaubten es zwei Teams, die Arbeit an dem Satelliten fortzusetzen, ohne sich gegenseitig zu infizieren.“

„Sie waren fast fertig, als die vollständige Schließung der Anlagen angekündigt wurde, aber das hielt die Thales-Teams in Italien und Frankreich und uns bei der ESA nicht ab, denn wir alle arbeiteten aus der Distanz weiter, um durch das so wichtige ‚Delivery Review Board‘ (Ausschuss zur Überprüfung der Lieferung) zu kommen.

Sobald die Einrichtungen von Thales wieder zugänglich waren, schlossen die Teams die wenigen letzten Aktivitäten ab, einschließlich der Verpackungs- und Versandvorbereitungen, und erhielten die notwendigen Genehmigungen der italienischen und französischen Regierung, so dass die Satellitenplattform auf der Straße von Italien nach Frankreich transportiert werden konnte.

Sentinel-3D kam in der Nacht vom 21. April sicher in den Einrichtungen in Cannes an und wurde vom dortigen Thales-Alenia-Team mit der Fernunterstützung ihrer Kollegen in Rom ausgepackt.“

Nic fügte hinzu: „Die Aktivitäten sind in dieser Zeit definitiv komplizierter, aber alle Teams arbeiten zusammen, um die Fortführung des Programms auf die effizienteste und pragmatischste Weise zu erleichtern und Lösungen für die neuen Probleme zu finden, die durch die Auswirkungen des Virus verursacht wurden, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass die Gesundheit und Sicherheit der beteiligten Teams gewährleistet ist.“

Josef Aschbacher, ESA-Direktor für Erdbeobachtungsprogramme, sagte: „Alle arbeiten unter extrem schwierigen Bedingungen, und ich freue mich wirklich, dass die Arbeit zur Vorbereitung zahlreicher neuer Missionen fortgesetzt wird.

Dies ist nicht nur wichtig, um die Kontinuität der Messungen unseres Planeten aus dem Weltraum zu gewährleisten, um Umweltveränderungen, die sich weltweit auf die Gesellschaft auswirken, zu verstehen und zu beobachten, sondern wir müssen auch immer wieder neue Weltraumtechnologien für die Zukunft demonstrieren. Und da sich COVID-19 so stark auf die Wirtschaft auswirkt, unternehmen wir alle Anstrengungen, um die Raumfahrtindustrie und nachgelagerte Unternehmen im Geschäft zu halten.“

Über die Copernicus-Sentinels
Die Copernicus-Sentinels sind eine Satelliten-Flotte der EU und liefern eine Fülle an Daten und Bildern, die für das Umweltprogramm Copernicus der Europäischen Union von zentraler Bedeutung sind. Die Europäische Kommission leitet und koordiniert dieses Programm, um den nachhaltigen Umgang mit der Umwelt zu verbessern und so täglich Leben zu schützen. Die ESA ist für die Weltraumkomponente verantwortlich, und entwickelt im Auftrag der Europäischen Union die Familie der Copernicus-Sentinel-Satelliten und stellt den Datenfluss für die Copernicus-Dienste sicher, während der Betrieb der Copernicus-Sentinel-Satelliten der ESA und EUMETSAT übertragen wurde.

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• Raumfahrt und Corona-Virus

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Quelle: DLR.

Doch der Vergleich ist trügerisch. Dieses Jahr sorgte Polarluft in weiten Teilen Europas sowie eine andauernde Westwindlage, bei der sich die Schadstoffe nicht anreichern konnten, bereits für ungewöhnlich saubere Luft. Die Beurteilung des Corona-Effekts ist daher komplex. Wissenschaftler des Earth Observation Center (EOC) im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) konnten den „Corona-Effekt“ jetzt wissenschaftlich stichhaltig belegen.

Langzeitanalysen und der Einfluss des Wetters
Seit vielen Jahren liefert der europäische Satellit MetOP-A täglich Messungen der globalen Schadstoffverteilung. Die Langzeitanalysen zeigen: starke witterungsbedingte Schwankungen des Luftschadstoffs NO₂ gab es immer. Allerdings erfasst der Satellit die gesamte Atmosphäre. In zunehmender Höhe können Winde Luftschadstoffe verfrachten, verdünnen oder Belastungen aus entfernten Regionen hereintragen. Daher sind diese Messungen alleine kein Beweis. Auch am Boden werden durch Winde und Niederschläge Schadstoffe verlagert oder ausgewaschen. Daher sind die Messdaten von Bodenstationen alleine auch nicht aussagekräftig genug.

Die Lombardei in Italien wurde früh von Corona heimgesucht. Ab dem 8. März 2020 hatte die italienische Regierung daraufhin in rascher Folge Quarantäne-Maßnahmen beschlossen. Satelliten- und Bodenmessungen zeigen entsprechend seit dem Lockdown eine Abweichung vom langjährigen Mittelwert. Ein erstes Indiz.

Doch wie berücksichtigen die DLR-Wissenschaftler den Einfluss des Wetters? Hierfür wird die Schadstoffbelastung am Computer simuliert.

Die Wissenschaftler starteten ihre Berechnung mit Emissionswerten von Schadstoffen, die über mehrere Jahre gemittelt wurden und die Normalsituation abbilden. Damit ist sichergestellt, dass das Modell von den Corona bedingten-Maßnahmen nichts weiß. Es berücksichtigt aber von Stunde zu Stunde die realen Wetterbedingungen. Anschließend folgt der Vergleich mit den diesjährigen Messdaten. Die modellierte Normalsituation wurde dazu von den tatsächlichen Bodenmesswerten abgezogen. Und tatsächlich: ab dem 8. März führt der Lockdown in der Lombardei zu einer echten Reduktion der NO₂-Belastung um etwa 20 µg/m³. Ein Rückgang um 45 Prozent.

Kombinierte Analyse
Einzig Satelliten erlauben eine kontinuierliche globale Messung von Schadstoffen. Die Untersuchung zeigt, wie gut diese Messungen zu Bodenwerten und Modellen passen. Doch erst eine kombinierte Betrachtung von Satellitenmessungen, In-situ-Daten und Computermodellierungen ermöglichen einen wissenschaftlich stichhaltigen Nachweis des „Corona-Effekts“.
Für pauschale Bewertungen ist das atmosphärische Geschehen zu komplex. Das wird in anderen Regionen dieser Welt deutlich. Dort liegen die derzeitigen Messwerte zum Teil innerhalb der Schwankungsbreite der letzten Jahre. Ob dies auf spezielle lokale Witterungsbedingungen oder ein späteres Einsetzen der Lockdown-Maßnahmen zurückzuführen ist, bleibt ohne genaue Untersuchung unklar.

Die Analyse für die Lombardei wurde mit Daten des europäischen Satelliten MetOp-A durchgeführt. Seit 2018 stehen mit dem europäischen Satellit Sentinel-5P nun auch Messungen in weit höherer Auflösung zur Verfügung. Diese werden künftig helfen, Emissionsquellen und Schadstofftransporte besser nachzuvollziehen. Noch fehlen hier die langen Zeitreihen, so dass nur Vergleiche zwischen 2019 und 2020 möglich sind. Um hier den Wettereffekt zumindest zu reduzieren, wurden am DLR global Monatsmittel gebildet. Hierfür wurden über zwei Monate hinweg 1,2 Billionen Einzelmessungen mit DLR Algorithmen verarbeitet und auf ihre Qualität hin geprüft. Auch diese Daten zeigen – wenn auch nicht wetterunabhängig – eine klare Reduktion der Emissionen.

Die am DLR erzeugten Daten werden unter anderem in dem vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur geförderten Projekts S-VELD genutzt, um den Einfluss von Verkehrsemissionen auf die Luftqualität in Deutschland zu analysieren.

Diese Analyse beinhaltet vom DLR prozessierte und modifizierte Daten des Copernicus Sentinel-5 Precursor Satelliten (2019-2020).

Die operativen GOME-2 Daten werden im Rahmen des EUMETSAT AC-SAF Projekts durch das DLR bereitgestellt.

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• Raumfahrt und Corona-Virus

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Quelle: ESA.

Die zwei Open-Source-3D-Drucker werden normalerweise zur Herstellung spezieller Gegenstände für das Astronautentraining sowie zum Testen von Ideen für die zukünftige Raumfahrt im Spaceship EAC genutzt. Doch in diesen Zeiten werden sie zu idealen Werkzeugen, um Gesichtsschutz-Komponenten zu produzieren. Damit beteiligt sich das EAC an der lokalen Initiative MakerVsVirus, bei der sich mehrere Produzenten zu sogenannten Hubs zusammenschließen. Die fertigen Visiere werden dann an Krankenhäuser, die einen entsprechenden Bedarf gemeldet haben, ausgeliefert.

Effizient und effektiv, im All und auf der Erde

Der 3D-Druck hat sich zu einem wertvollen Fertigungsverfahren für die Raumfahrt der Zukunft entwickelt: Er rückt die Produktion näher an den eigentlichen Einsatzort und ermöglicht es Astronauten, Komponenten dann herzustellen, wenn sie diese benötigen – anstatt ein ganzes Paket an Ersatzteilen mit sich herumzuschleppen. Mit dem Verfahren können Abfallmaterialien recycelt und zu nutzbaren Gegenständen umgewandelt werden; außerdem ist es potenziell für die Herstellung von Komponenten zum Bau von Infrastruktur auf dem Mond geeignet.

Während sich die Technologie beständig weiterentwickelt, untersuchen Wissenschaftler und Praktikanten am EAC derzeit die Möglichkeit, neue Materialien für den 3D-Druck zu verwenden, wie zum Beispiel eine Mischung aus Plastik und Mondregolith (Mondstaub), um Ziegel oder komplexere Teile herzustellen. Mit diesen könnte man dann möglicherweise eine größere Mondsiedlung errichten.

Für die Schutzmasken verwendet das Team eine standardisierte Druckvorlage, die durch Crowd-Engineering optimiert worden ist. So kann die schnelle, effiziente und einheitliche Herstellung der Gesichtsschutz-Kopfbänder und -Halter als Beitrag zum Endprodukt sichergestellt werden.

Ein Gesichtsschutz besteht aus vier Komponenten: einem Kopfband und einem Halter aus dem 3D-Drucker, an denen ein Visier aus transparentem Kunststoff befestigt wird, sowie einem elastischen Band, das dafür sorgt, dass sich der Gesichtsschutz an den Kopf des Trägers anpasst und so bequem sitzt.

Das EAC ist verantwortlich für den Druck des Kopfbands und des Halters. Es dauert 1,5 bis drei Stunden, um ein aus diesen Komponenten bestehendes Set zu drucken.

Teamwork und Solidarität

Timon Schild, ESA-Trainee und Mitglied von Spaceship EAC, leitet die „Advanced Manufacturing“-Aktivitäten am Spaceship EAC. Als Maschinenbauingenieur mit Erfahrung im 3D-Druck ist er auf die Idee gekommen, mit MakerVsVirus zusammenzuarbeiten und assistierte bei der technischen Einrichtung, um nicht verwendete Drucker in Zeiten, in denen am EAC keine Ausbildungsmaßnahmen stattfinden, wieder zum Einsatz zu bringen. Darüber hinaus nutzt Schild seinen eigenen 3D-Drucker, um von zu Hause aus der Produktion von Schutzmasken beizutragen.

„Der finale Gesichtsschutz, der auf der Grundlage des entwickelten Designs zusammengesetzt wird, gehört zur persönlichen Schutzausrüstung (PSA) medizinischer Fachkräfte und sollte zusammen mit einer Atemschutzmaske getragen werden“, erklärt Schild. „Sie gelten in vielen Krankenhäusern als unerlässlich und bedecken das ganze Gesicht eines Mitarbeiters, um diesen vor Tröpfchen, die möglicherweise Coronaviren enthalten, zu schützen.“

„Technisch gesehen wären wir in der Lage gewesen, den kompletten Gesichtsschutz zu produzieren, aber die für das Visier notwendige Hardware sowie die Materialien standen nicht bereit. Für die Hardware wäre eine zeitintensivere Einrichtung notwendig gewesen, sodass sich die Produktion verzögert hätte“, so Schild weiter. „Die Zusammenarbeit mit MakerVsVirus ermöglicht es uns, dass wir uns ganz auf die Teile konzentrieren, für deren Produktion wir aktuell gut gerüstet sind, während uns eine zentrale Anlaufstelle für die Auslieferung zur Verfügung steht.“

Die gedruckten Halter werden vorsichtig in verschließbaren Plastiktüten verpackt und in eine lokale Sammelstelle gebracht, wo die Komponenten zusammengesetzt und die fertigen Gesichtsmasken schließlich an Krankenhäuser, die einen entsprechenden Bedarf gemeldet haben, ausgeliefert werden.

Die erste Charge aus 50 Halterelementen wurde bereits ausgeliefert und das Team will weitermachen, solange Druckmaterialien verfügbar sind und bis der akute Engpass beseitigt ist.

Aidan Cowley, wissenschaftlicher Berater der ESA und Leiter von Spaceship EAC, ist stolz auf die Leistung und den Innovationsgeist seines Teams in diesen schwierigen Zeiten.

„Alle im Team verspürten den starken Wunsch, auf jegliche Art und Weise zu helfen. Durch die Zusammenarbeit mit dieser lokalen Initiative können wir gemeinsam daran arbeiten, den Bedarf zu decken und die Menschen zu schützen, die für uns alle an vorderster Front arbeiten“, so Cowley.

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Der Beitrag ESA: Das EAC, 3D-Druck und COVID-19 erschien zuerst auf Raumfahrer.net.