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: Universität Stuttgart.

26. Juli 2021 – Am 19. Juli 2021 ist SOFIA, das Stratosphären-Observatorium der NASA und des DLR, auf dem Faa’a International Airport, außerhalb von Papeete, Tahiti, Französisch-Polynesien, gelandet und wird in den nächsten acht Wochen von dort aus den Südhimmel beobachten. Das Deutsche SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart, das für den Betrieb der fliegenden Sternwarte auf deutscher Seite verantwortlich ist, wird permanent mit einem hochmotivierten sechsköpfigen Team vor Ort sein. „SOFIAs Basis samt Beobachtungsinstrumenten, dem Personal und der nötigen Ausrüstung für zwei Monate nach Tahiti zu verlegen, musste im Vorfeld mit allen beteiligten Partnern, lokalen Behörden, Flughafeneinrichtungen sowie den lokalen Anbietern koordiniert und geplant werden“, so Michael Hütwohl, DSI Standortleiter im kalifornischen Palmdale, wo SOFIA normalerweise stationiert ist. Jetzt werden wir natürlich sicherstellen, dass das SOFIA Teleskop bei dieser Mission stets einsatzbereit ist und einwandfrei funktioniert.“

Beim ersten Wissenschaftsflug vom Flughafen Tahiti am 23. Juli 2021 ist der Plan bereits voll aufgegangen und die beabsichtigten Beobachtungen konnten erfolgreich durchgeführt werden.

In der Regel operiert SOFIA einmal pro Jahr für bis zu zwei Monate von Christchurch, Neuseeland, aus, um zum Beispiel das Zentrum der Milchstraße oder die Magellanschen Wolken zu untersuchen, die von der Nordhalbkugel nur schwer oder gar nicht zu beobachten sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass der für Infrarotbeobachtungen störende Wasserdampf der Erdatmosphäre in den Monaten Juli bis September auf der Südhalbkugel viel weniger ist, als zeitgleich im Nord-Sommer.
Aufgrund der COVID-19 Reisebeschränkungen musste diese Expedition in den Süden 2020 komplett ausfallen. Dafür ist SOFIA nun 2021 vorrübergehend in Französisch-Polynesien stationiert.
Bis Anfang September sind insgesamt 32 Flüge geplant, 20 mit dem German Receiver at Terahertz Frequencies (GREAT) vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und der Universität Köln, zwölf mit HAWC+, der High-resolution Airborne Wideband Camera-Plus.

Während der GREAT-Flugserie sollen unter anderem Beobachtungen für die Langzeitstudie FEEDBACK durchgeführt werden, um herauszufinden, wie genau massereiche Sterne – in denen ein Großteil der uns bekannten schweren chemischen Elemente produziert werden – die weitere Entstehung von Sternen und Planetensystemen beeinflussen. „Ein Großteil unserer Objekte kann nur vom Süden aus beobachtet werden“, so Nicola Schneider, von der Universität zu Köln, die das Programm zusammen mit Alexander Tielens von der University of Maryland, leitet. „Eine erfolgreiche Flugserie von Tahiti aus ist daher für unser Projekt sehr wichtig.“

Außerdem wird SOFIA mit einem weiteren Langzeitprogramm namens HyGAL die Verteilung der sogenannten kosmischen Strahlung, bestehend aus hochenergetischen geladenen Teilchen, in unserer Galaxie untersuchen, und so Hinweise auf den Ursprung dieser mysteriösen Teilchen liefern.
Auch wird es weitere Messungen von atomarem Sauerstoff in der Erdatmosphäre geben, der eine wichtige Rolle beim Energiehaushalt in der oberen Atmosphäre spielt und daher zur Abschätzung der Temperaturen in dieser Region verwendet wird. So helfen SOFIA-Daten die Klimamodelle unserer Erdatmosphäre zu verbessern.

Im letzten Drittel des Aufenthalts in Tahiti werden mit dem HAWC+ Instrument fadenförmige Regionen hoher Gasdichte – sogenannte Filamente – in polarisiertem Infrarotlicht beobachtet, um die Rolle von Magnetfeldern bei der Entstehung von Sternen auf unterschiedlichsten räumlichen Skalen zu verstehen.
Um die Magnetfelder und ihre Wirkung in der Nähe des zentralen supermassiven schwarzen Lochs unserer eigenen Galaxie zu ergründen, plant das SOFIA-Team mit HAWC+ ähnliche Beobachtungen der sogenannten Zentralen Molekularen Zone, einer 650 Lichtjahre umfassenden Region im galaktischen Zentrum, die sich durch dichte Molekülwolken und starke Turbulenzen auszeichnet.

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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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: 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.

Die Teams der ESA-Missionskontrolle bereiten sich darauf vor, sicherzustellen, dass eine neue Sentinel-Erdbeobachtungsmission heil in ihrer vorgesehenen Umlaufbahn eintrifft, von wo sie aus nach ihrem Start am 10. November den Anstieg des Meeresspiegels kartieren, messen und überwachen wird.

Das 1,5 Tonnen schwere Raumfahrzeug Copernicus Sentinel-6 „Michael Freilich“ wird mit einer Space X Falcon 9-Rakete von Vandenberg, Kalifornien, in den Vereinigten Staaten starten. Sobald es sich sicher im Orbit befindet, wird das ESOC-Kontrollzentrum der ESA in Darmstadt die Führung übernehmen.

In den folgenden drei Tagen wird das Missionskontrollteam von Sentinel-6 die noch junge Mission durch ihre kritische „Start- und frühe Orbitphase“ führen. Das bedeutet auch, dass die Solarpaneele ausgefahren und der Satellit akvitiert wird, um seine Kernfunktion zu testen. Anschließend wird dieser in die richtige Bahn manövriert. Dabei ist er gleichzeitig den Gefahren des Weltraums ausgesetzt.

Jason wird ersetzt
Sentinel-6 Michael Freilich ist das erste von zwei Raumfahrzeugen, die gestartet werden, um die „Kontinuität des Dienstes“ der Jason-Missionen zu gewährleisten, die derzeit Daten über die sich verändernden Ozeane der Erde liefern, aber das Ende ihrer Lebensdauer erreichen. Dies macht die ohnehin schon schwierigen Operationen noch komplizierter, da der neue Sentinel in Tandem mit dem Jason-3-Satelliten, den er ersetzen wird, fliegen muss, bis dieser in eine andere Umlaufbahn gebracht wird.

Die Zielumlaufbahn für die neue Mission ist eine polare Umlaufbahn, hoch über den Eispolen der Erde in etwa 1300 km Höhe. Das Timing ist hier äußerst wichtig, da Sentinel-6 mit einem Abstand von nur 30 Sekunden, also etwa 230 Kilometern, hinter dem Raumschiff Jason 3 in Position geht.

Die Teams im ESOC werden in den ersten Tagen zwei Umlaufbahnmanöver durchführen, um das Raumschiff näher an die vorgesehene Stelle zu bringen. Sobald Sentinel-6 die Nachfolge von Jason antritt, wird EUMETSAT, die Europäische Organisation für die Nutzung meteorologischer Satelliten, nach dem dritten Tag das Satellitenkommando und die Kontrolle von der ESA übernehmen.

Sobald Sentinel-6 die kritische Frühphase durchlaufen hat und seine Zielumlaufbahn ansteuert, wird EUMETSAT die endgültige „Orbiterfassung“ abschließen und die Verantwortung für die Inbetriebnahme, den Routinebetrieb und die Verteilung der Vitaldaten der Mission innerhalb Europas übernehmen.

Den Erfolg während einer Pandemie simulieren
Kontrollteams sind es gewohnt, sich auf unerwartete Eventualitäten vorzubereiten. Tatsächlich besteht ein großer Teil der Aufgabe darin, Echtzeitsimulationen zu durchlaufen, in denen sie allen möglichen Problemen ausgesetzt werden – Angefangen von allen Arten von Raumfahrzeuganomalien bis hin zu Computerabstürzen und sogar der Vermeidung von Weltraumschrott.

Die Vorbereitungen inmitten der COVID-19-Pandemie gestalten sich allerdings als schwierig.

„Natürlich sind die Vorbereitungen für den Start von Sentinel-6 durch COVID-19 beeinträchtigt worden, und wir haben alle Maßnahmen ergriffen, um in dieser schwierigen Situation erfolgreich zu sein. Wir müssen immer einen Sicherheitsabstand voneinander einhalten, wir haben Plexiglaswände, die alle in den Kontrollräumen voneinander trennen, Masken, die ständig getragen werden, und die Anzahl der Personen vor Ort ist auf das zur Unterstützung der Operationen unbedingt erforderliche Maß beschränkt“, erklärt Massimo Romanazzo, der für die Mission zuständige Raumflugbetriebsleiter.

„Wir tun alles, was wir können, um die Gesundheit und Sicherheit unserer Teams zu gewährleisten, und glücklicherweise haben wir trotz aller Widrigkeiten keine Verzögerungen zu verzeichnen und liegen im Zeitplan für den Start am 10. November“.

Das Team hat noch zwei weitere „Notfallsimulationen“ vor sich, bei denen Probleme in die Startsequenz eingebracht werden und zwei abschließende „nominale Simulationen“, bei denen alles nach dem Zeitplan der „nominalen“ Operationen abläuft.

Wenige Tage vor dem Start werden sie dann die Generalprobe durchlaufen, während sie diesmal mit dem Sentinel-6-Satelliten in Vandenberg verbunden sind, der auf seiner Falcon 9 sitzt und Echtzeitdaten sendet.

Breite Unterstützung vom Boden aus
Sentinel-6 wird sich einer Flotte von Erdbeobachtungssatelliten in einer der verkehrsreichsten Umlaufbahnen im erdnahen Orbit anschließen. Das im ESOC angesiedelte Space Debris Office der ESA wird in den kritischen ersten Tagen deshalb präsent sein, um das Risiko von Kollisionen mit herumschwirrendem Weltraumschrott zu überwachen, zu berechnen und darüber zu beraten, wie die Mission am sichersten durchgeführt werden kann.

Die ESA-Bodenstation Kiruna wird die ersten Tage des Raumschiffs mitverfolgen, während die Nordpol-Satellitenstation in Alaska nach der Trennung von der Trägerrakete die ersten Signale aus dem Weltraum empfangen soll.

Obwohl Sentinel-6 zur Familie der Copernicus-Missionen der Europäischen Union gehört, ist seine Umsetzung das Ergebnis der einzigartigen Zusammenarbeit zwischen ESA, NASA, Eumetsat und NOAA, mit einem Beitrag der französischen Raumfahrtbehörde CNES.

„Die Sentinel-6-Mission vereint in perfekter Weise die besten Aspekte des Weltraumbetriebs: internationale Zusammenarbeit, Spitzentechnologie und den Wunsch, die Vorteile aus dem einzigartigen Blickwinkel der erdnahen Umlaufbahn auf die Erde zu bringen“, sagt Simon Plum, der neue Missionsleiter der ESA.

„Die Führung eines Raumfahrzeugs durch seine risikoreichste Anfangsphase zeigt, was die Teams im ESOC am besten können, wenn sie ihre jahrelange Ausbildung und Erfahrung in die Praxis umsetzen, und das alles unter zusätzlichen Einschränkungen aufgrund der COVID-19-Pandemie. Ich bin sehr stolz darauf, mich einem Team mit einer solchen Professionalität und einem solchen Engagement anzuschließen, und freue mich auf meinen ersten Start hier bei der ESA-Missionskontrolle“.

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• Sentinel 6A „Michael Freilich“ auf Falcon 9 (B1063.1) von Vandenberg

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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.“

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• Parabelflüge

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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: Universität Würzburg

Geschlossene Grenzen, gestörte Lieferketten, gedrosselte Produktion: Die Einschränkungen in der Corona-Krise haben im März und April 2020 die Wirtschaft weitgehend lahmgelegt. Das führte auch dazu, dass es auf den Straßen viel weniger Verkehr gab.

In dieser Situation hatte der Würzburger Student Henrik Fisser eine Idee: Ob er wohl mit Satellitendaten die Lastkraftwagen auf den Straßen ausmachen und zählen könnte? Und ob sich aus dem Vergleich aktueller und älterer Daten erkennen ließe, wie stark der Lkw-Verkehr durch die Corona-Krise geschrumpft ist?

Beides funktioniert. Fisser hat sich Aufnahmen des Satelliten Sentinel-2 vorgenommen, die das Ruhrgebiet mit seinen vielen Autobahnen abbilden. „Weil Lkw sich bewegen und eine bestimmte Größe haben, ergibt sich in den Daten eine regenbogenartige Signatur“, erklärt der Student. Es gelang ihm, die Lkw in den Satellitendaten automatisiert zu detektieren – dank eines speziellen Rechenverfahrens, das er dafür entwickelt hat.

Ein Viertel weniger Lkw-Verkehr
Ergebnis: Im Lockdown der Corona-Krise waren im Schnitt rund 25 Prozent weniger Lkw im Ruhrgebiet unterwegs als an vergleichbaren Tagen in den Vorjahren.

Worüber sich der Würzburger Student besonders freut: Seine Zahlen stimmen gut mit denen überein, die das Institut der deutschen Wirtschaft im Mai 2020 veröffentlicht hat. Demnach ist der Lkw-Verkehr um ein Viertel, der Pkw-Verkehr sogar um über die Hälfte zurückgegangen. Grundlage für diese Zahlen waren Maut- und andere auf der Erde erhobene Verkehrsdaten.

Ausgezeichnet von der ESA
Für sein schönes Ergebnis hat Henrik Fisser einen mit 1.000 Euro dotierten Preis bekommen. Im laufenden COVID-19-Custom-Script-Wettbewerb der Europäischen Raumfahrtagentur ESA wurde er Ende Mai zum Wochengewinner in der Kategorie „Covid-Auswirkungen auf die Wirtschaft“ gekürt.

Im Studium beschäftigt sich Fisser ebenfalls mit dem Thema Erdbeobachtung. Er ist an der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg im internationalen Masterstudiengang EAGLE (Earth Observation and Geoanalyses for the Living Environment) eingeschrieben. Hier gefällt ihm unter anderem, dass auf Englisch unterrichtet wird und dass seine Mitstudierenden von allen Kontinenten kommen.

Praktikum in Uganda als Initialzündung
Fissers Interesse an der Erdbeobachtung wurde in Uganda geweckt. Dort absolvierte er – nach dem abgeschlossenen Bachelorstudium der Geographie an der Uni Köln – ein Praktikum.

„Wir waren in einer ländlichen Region, wo es große Probleme mit Dürren gibt. Mein damaliger Betreuer hat mir klargemacht, dass die Erdbeobachtung potenziell dabei helfen kann, die Ernährung der Menschen zu sichern und besser auf Naturkatastrophen zu reagieren. Danach war ich voll motiviert, das als Master zu studieren.“ Bei Recherchen im Web stieß er auf den Studiengang an der JMU. Er bewarb sich hier, weil ihn unter anderem die informative Internet- und Twitterpräsenz von EAGLE überzeugt hatte.

Aquakulturen für die Fischzucht detektieren
Aktuell macht der EAGLE-Student ein Praktikum beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), mit dem die JMU eng zusammenarbeitet. Dort ist er in ein Projekt eingebunden, in dem aus Satellitendaten ermittelt wird, wie stark Aquakulturen für die Fischzucht in Afrika verbreitet sind.

„Das sind meist rechteckige Pools an Land, deren Zahl in den vergangenen Jahren vor allem in China, aber auch in Afrika enorm zugenommen hat.“ Aktuell verarbeitet Fisser mit einer DLR-Berechnungsmethode die Satellitendaten für Ägypten – dieses Land ist der größte Aquakultur-Fischproduzent des Kontinents.

Infos zum Masterstudiengang EAGLE
Der englischsprachige Masterstudiengang EAGLE (Earth Observation and Geoanalyses for the Living Environment) ist am Lehrstuhl für Fernerkundung des Instituts für Geographie und Geologie der JMU angesiedelt. Er vereint Studierende aus aller Welt. Sie lernen hier, wie man Satelliten- und andere Erdbeobachtungsdaten nutzen kann, um die globale Umwelt zu beobachten und Problemen gegenzusteuern, etwa mit einem passenden Management der Landnutzung.

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• Raumfahrt und Corona-Virus

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Quelle: Universität Zürich.

Die Schutzmaßnahmen im Rahmen der SARS-CoV-2-Pandemie haben – neben Restriktionen für Wirtschaft und Gesellschaft – auch die meisten Forschungsaktivitäten stark beeinträchtigt. Trotz der sich dauernd ändernden Lage konnten die Swiss Skylab Foundation und der Space Hub der Universität Zürich (UZH) die geplante Parabelflug-Kampagne neu organisieren und die erforderlichen Schutzkonzepte implementieren. Der Schwerelosigkeits-Forschungsflug hebt heute am 11. Juni 2020 vom ehemaligen Militärflugplatz Dübendorf ab – unter Einhaltung sämtlicher Corona-Schutzmaßnahmen.

An Bord des Airbus A310 befinden sich acht Experimente aus den Bereichen Medizin, Astrophysik und Geologie, darunter mehrere der UZH sowie je eines der Universitäten Bern und Basel, der ETH Zürich und des italienischen Eurac Forschungsinstituts. Bei einem Experiment handelt es sich um eine Forschungszusammenarbeit der Universität Zürich und der NASA, an der auch die University of Wisconsin beteiligt ist.

Mit gedämpfter Immunantwort gegen schwere Covid-19-Verläufe
Eines der Experimente, das Oliver Ullrich, Professor für Anatomie an der UZH und Direktor des UZH Space Hubs, und seine Forschungsgruppenleiterin Cora Thiel durchführen, fokussiert auf Covid-19. «Bei schweren und teilweise tödlichen Covid-19-Verläufen scheint eine massive und schädliche Überreaktion des Immunsystems beteiligt zu sein, die bei leichten Verläufen nicht zu beobachten ist», erläutert Thiel.

Aus der Raumfahrtmedizin ist bekannt, dass Überreaktionen des Immunsystems in der Schwerelosigkeit abgedämpft werden. Aus ihrer bisherigen Forschung kennen Ullrich und Thiel mögliche molekulare Wege, wie dieser «gedämpfte», aber dennoch reaktive Immunstatus, aktiviert wird. Während des Parabelfluges versuchen die beiden mittels verschiedener bereits zugelassener Medikamente diesen aus der Schwerelosigkeit bekannten Immunstatus in menschlichen Zellkulturen herbeizuführen. Im Falle positiver Resultate wären erste klinische Testreihen möglich mit dem Ziel schwere und tödliche Verläufe von Covid-19 zu reduzieren. «Dadurch ließe sich die gewünschte «Herdenimmunität» mit weniger Risiken erreichen», erklärt Ullrich den neuartigen Ansatz.

Bisher 30 Experimente in der Schwerelosigkeit
Zusammen mit der aktuellen Kampagne wurden in den von Ullrich organisierten Forschungsflügen bislang dreißig Experimente in der Schwerelosigkeit durchgeführt. «Forschung in Schwerelosigkeit kann Vorgänge aufklären und sichtbar machen, die auf der Erde durch die Schwerkraft verborgen sind und helfen, neue Materialien und Herstellungsverfahren zu erforschen», erläutert Ullrich, der Mediziner und Biochemiker ist. «Sie hat der Medizin neue Erkenntnisse, neue Behandlungsmethoden und neue Perspektiven für Geweberegeneration und -ersatz gebracht.»

Swiss Parabolic Flights erzielen hohe Wertschöpfung
Dank Ullrichs Parabelflügen gelang es Wissenschaftlern aus der Schweiz, Forschungsgelder auf europäischer Ebene einzuwerben oder Forschungsvorhaben auf der Internationalen Raumstation vorzubereiten. «Damit erzielen die Swiss Parabolic Flights eine hohe Wertschöpfung und stärken die Wettbewerbsfähigkeit von Forschung und Technologie aus der Schweiz», sagt Ullrich. Mit dem Swiss Parabolic Flight Programm erhalten Wissenschaft und Innovation in der Schweiz einen einfachen Zugang zur Forschungsumgebung «Schwerelosigkeit». Ermöglicht wird dies auch durch die Schweizer Luftwaffe mit der Nutzung des Militärflugplatzes Dübendorfs für die Starts und Landungen des Airbus 310 Zero-G. Durchgeführt werden die Schwerelosigkeits-Forschungsflüge durch Novespace, eine Tochter der französischen Raumfahrtagentur CNES, die Eigentümer und Operator des A310 ZERO-G ist.

Europaweit einzigartiges Setting
Überzeugt vom Potenzial in Dübendorf ist auch Peter Bodmer, Mitglied des Universitätsrats und Präsident des Innovationsparks Zürich: «Der Innovationspark Zürich bietet eine einzigartige Chance: den Zugang zu einem Flugfeld, das Forschungs- und Testflüge für die Mobilität in der Luft ermöglicht. So eignet sich der Park auf dem Flugplatzareal von Dübendorf auch für alle Innovationsthemen der Aviatik und der Luftfahrt.» Dies bestätigt Michael Schaepman, Prorektor Forschung an der UZH: «Mit der Flugpiste vor der Haustüre haben wir europaweit ein einzigartiges Setting und zeigen mit dem heutigen Parabelflug, dass die UZH und ihr Space Hub im Bereich Luft- und Raumfahrt auch in herausfordernden Zeiten verlässliche Partner sind.»

Wozu Parabelflüge für die Forschung?
Parabelflüge sind fester Bestandteil jeder Forschung in Schwerelosigkeit. Bei einem Parabelmanöver wird ein Flugzeug in den freien Fall im Gravitationsfeld gebracht, was physikalisch zu echter Schwerelosigkeit an Bord führt – identisch mit der Schwerelosigkeit auf der Internationalen Raumstation (ISS).

Auf den extremen Steigflug folgt, dem Kurs einer Wurfparabel folgend, ein kontrollierter Sturzflug – so wird im Airbus A310 ZERO-G für 22 Sekunden Schwerelosigkeit erzeugt. Dank der Schweizer Luftwaffe können die Universität Zürich und der UZH Space Hub den Militärflugplatz schon seit Längerem zu Forschungszwecken mitnutzen: Bereits 2015, 2016 und 2018 organisierten die UZH und die universitätsnahe gemeinnützige Swiss SkyLab Foundation drei Parabelflugkampagnen mit dem Airbus A310 ZERO-G. Die Parabelmanöver finden über dem Mittelmeer oder dem Atlantik statt.

Die vierte Parabelflugkampagne wird durch das Swiss Space Office des SBFI unterstützt.

UZH Space Hub
Das Innovationscluster Luft- und Raumfahrt der Universität Zürich (UZH Space Hub) verbindet die international gut vernetzte Forschung in der Luft- und Raumfahrt an der UZH mit neuen Partnerschaften aus Wissenschaft und Industrie und bringt sie in den Innovationspark Zürich am Standort Dübendorf ein. Die enge Verbindung von Forschung und Flugplatz ist eine Besonderheit in Europa und ein Plus für die Wettbewerbsfähigkeit der Schweiz.

Experimente an Bord:
Planetenentstehung: Theorie auf dem Prüfstand der Realität
Involvierte Institutionen:
NCCR PlanetS, Universität Bern: Dr. Holly Capelo
Universität Zürich: Prof. Lucio Mayer

Protoplanetare Scheiben bestehen aus Gas und Staub. Durch Schwerkraft und Verklebungen entstehen daraus Planetesimale – die Vorläufer und Bausteine von Planeten: So zumindest besagen es Theorie und Simulationen. Das Experiment überprüft die Theorie erstmals unter den realen Bedingungen der Schwerelosigkeit.

Sedimentbildung auf Erde, Mond und Mars verstehen
Involvierte Institutionen:
Universität Basel, Prof. Niklaus Kuhn

Das Experiment untersucht, wie sich Sedimente unter unterschiedlichen Schwerkraftbedingungen in Wasser absetzen. Im Fokus stehen die Schwerkraftbedingungen von Mars und Mond sowie Hypergravitation. Die Erkenntnisse sind relevant, um die Sedimentationsprozesse auf der Erde verstehen und Aufnahmen von Gesteinsformationen auf dem Mars richtig zu interpretieren.

Wie die Schwerkraft in den Zellkern gelangt
Involvierte Institutionen:
Dr. Srujana Neelam, University of Wiscosin, Dr. Ye Zhang, NASA Kennedy Space Center, FL, 32899, USA, NASA
Universität Zürich: Dr. Cora Thiel, Dr. Liliana Layer, Jessica Hellein, Prof. Oliver Ullrich

Die Schwerkraft wirkt als eine mechanische Kraft auf die inneren und äußeren Strukturen der Zellen. In diesem Experiment werden Wege und Moleküle untersucht, wie die Schwerkraft-Wirkung in den Zellkern gelangt, dort wo die Gene der Zelle reguliert werden. Dies ist im Zusammenhang mit der Schwerelosigkeit auf Raumflügen von Bedeutung.

Herzmassage in der Schwerelosigkeit
Involvierte Institutionen:
Eurac Research, Institute of Mountain Emergency Medicine: Dr. Alessandro Forti
Helios Klinikum Bad Saarow, Prof. Dr. Olaf Schedler

Unter Schwerelosigkeit bzw. unter Schwerkraftbedingungen wie sie z.B. an Bord der Raumstation ISS herrschen, gestalten sich lebensrettende Herzmassagen bei einem Herzstillstand als anspruchsvoll. Das Experiment testet an einer Übungspuppe ACD-CPR-Instrumente unter Schwerelosigkeit bzw. Schwerkraftbedingungen wie sie auf der Erde, dem Mond und dem Mars herrschen.

Der Code der Schwerkraft
Involvierte Institutionen:
Universität Zürich, Dr. Cora Thiel, Prof. Oliver Ullrich
NASA Kennedy Space Center: Dr. Ye Zhang

Menschliche Zellen passen sich schnell einer veränderten Schwerkraft an. Wie diese Anpassung erfolgt, ist nicht bekannt. Das Experiment untersucht den Zusammenhang zwischen der Schwerkraft und der Regulation der Genfunktion, d.h. welche Moleküle unter veränderter Schwerkraft welche Gene an- oder abschalten und inwiefern diese Reaktion durch die geometrische Lage der Gene codiert ist. Das Wissen um diese Faktoren ist essentiell für die bemannte Raumfahrt.

Funktioniert der zelluläre Notfallschutz bei Sauerstoffmangel auch unter veränderten Schwerkraftbedingungen?
Involvierte Institutionen:
Universität Zürich, Prof. Johannes Vogel, Prof. Max Gassmann

Menschliche und tierische Zellen verfügen über einen Notfallschutz, der bei Sauerstoffmangel sofort aktiviert wird. Dabei erweist sich der Transport von als HIF’s bezeichneten Molekülen vom Zellsaft in den Zellkern als zentral. Das Experiment untersucht, ob und wie dieser überlebenswichtige Prozess auf veränderte Schwerkraftbedingungen reagiert. Das zu wissen, ist essentiell für die bemannte Raumfahrt.

COVID-19: Lebensbedrohliche Überreaktionen des Immunsystems unter Kontrolle bringen
Involvierte Institutionen:
Universität Zürich, Dr. Cora Thiel und Prof. Oliver Ullrich

Aus der Raumfahrtmedizin ist bekannt, dass «Überreaktionen» des Immunsystems in der Schwerelosigkeit abgedämpft sind. Durch ihre bisherige Forschung kennen Ullrich und Thiel bereits mögliche molekulare Wege, wie dieser «gedämpfte», aber dennoch immer noch reaktive Immunstatus, aktiviert wird. Auf der 4th Swiss Parabolic Flight Campaign versuchen die beiden mittels verschiedener bereits zugelassener Medikamente diesen aus der Schwerelosigkeit bekannten Immunstatus in menschlichen Zellkulturen «anzuschalten». Um festzustellen, dass so ein identischer Effekt erreicht wird, werden molekulare Marker als Ergebnis der Medikamenteneffekte anhand der «Anschaltung» durch die Schwerelosigkeit validiert.

Entwicklung eines Lerntools für Studierende
Involvierte Institutionen:
ETH Zürich, Prof. Dr. Jörg Goldhahn, Dominik Hollinger

Bewegungssensoren funktionieren bei Schwerkraftveränderungen unterschiedlich. Im Experiment werden zwei Studenten mit von der ETH entwickelten Bewegungssensoren, Pulsmessband und Videokamera ausgestattet und führen verschiedene Aufgaben im Parabelflug durch. Die gewonnenen Daten werden für ein Lerntool für Studierende genutzt und soll diese dafür sensibilisieren, dass Sensoren unter verschiedenen Bedingungen unterschiedlich funktionieren können. Das Projekt wurde komplett von Studierenden im Rahmen einer Gruppenarbeit geplant und durchgeführt.

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• Parabelflüge

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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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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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