Quelle: Universität Augsburg 6. August 2024.

6. August 2024 – Etwa 80 bis 120 Kilometer über der Erdoberfläche wird die Luft so dünn, dass dieser Höhenbereich oft als Grenze zum Weltraum bezeichnet wird. Dennoch hat diese Atmosphärenschicht eine enorme Bedeutung – einerseits für den Flug von Satelliten und andererseits für das Erdklima. Die Universitäten Augsburg und Bern sowie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wollen diesen Grenzbereich nun genauer untersuchen. Die DFG und die SNSF fördern das auf den Namen GIGAWATT getaufte Projekt mit insgesamt 1,2 Millionen Euro.

Das GIGAWATT-Projekt nimmt eine bestimmte Sorte von Strömungen genauer unter die Lupe, die sogenannten atmosphärischen Schwerewellen. Diese entstehen häufig in den unteren Luftschichten und pflanzen sich von dort bis in über 100 Kilometer Höhe fort – ähnlich wie Meereswellen, nur dass sie nicht nur horizontal, sondern vor allem auch vertikal verlaufen. Im Grenzbereich zwischen Atmosphäre und All brechen die Schwerewellen und verursachen dabei chaotische Verwirbelungen.

Dieser Vorgang ist es, der die Forschenden vor allem interessiert. Denn das Schicksal der Schwerewellen hat Auswirkungen auf unser Klima. „Die Wellen stellen gewissermaßen die Weichen für die großen erdumspannenden Strömungssysteme“, erklärt Michael Bittner, Professor für Atmosphärenfernerkundung an der Universität Augsburg. „Darunter sind beispielsweise die hochliegenden Windsysteme, die den Luftaustausch zwischen den Polen der Erde steuern. In Klimamodellen wird die Wirkung von Schwerewellen bislang aber nur sehr ungenau abgebildet.“

Ein Grund: Zwar ist die Ausbreitung und Brechung der Wellen physikalisch gut verstanden. Die Gleichungssysteme, die diese Prozesse beschreiben, sind aber so komplex, dass sie sich auch mit den schnellsten Supercomputern nicht lösen lassen. Forschende behelfen sich daher mit Näherungen, sogenannten Parametrisierungen, um den Werdegang der Wellen zu modellieren. „Damit diese Modelle ein realistisches Ergebnis liefern, muss man sie aber mit möglichst exakten Ausgangsdaten füttern“, erläutert Bittners Mitarbeiter Dr. Patrick Hannawald.

Radarsysteme und optische Kameras in den Alpen
Soll heißen: Man muss wissen, wo sich die Wellen aktuell befinden und wie sie sich verhalten, um ihren Verlauf in die Zukunft extrapolieren zu können. Und je genauer man das weiß, desto besser wird das Ergebnis. Doch bislang ist es nur sehr schwer möglich, die Wellen in der Grenzschicht zwischen Atmosphäre und All aufzuspüren. Genau hier setzt das neue Projekt an: Die beteiligten Arbeitsgruppen möchten die Schwerewellen mit verschiedenen Methoden exakter sichtbar machen. „Dazu werden wir zusammen mit unseren Projektpartnern in den deutschen und schweizer Alpen Radarsysteme installieren und zugleich optische Kameras aufbauen“, sagt Hannawald. „Damit lassen sich dann sogenannte tomografische Messungen durchführen.“

Mit diesem Ansatz lassen sich die Wellenfronten in ihrer dreidimensionalen Ausdehnung sichtbar machen. Die Beteiligten nutzen dazu ein Phänomen, das als Airglow bekannt ist: Die Moleküle in der oberen Atmosphäre werden durch die energiereiche Strahlung der Sonne angeregt, so dass sie permanent schwach leuchten. Vom Weltall aus ist dieses Glühen mit bloßem Auge zu sehen. Mit den Kameras soll das auch vom Boden möglich werden. Bereiche mit einem höheren Luftdruck – die Wellenberge, wenn man so will – leuchten dabei besonders stark. „Aus den Intensitätsmustern lässt sich daher auf den Verlauf der Wellen schließen“, erklärt der Augsburger Wissenschaftler.

So werden in den Aufnahmen oft charakteristische Strukturen sichtbar, ähnlich wie Rippeln in einem Sandstrand bei Ebbe. Wenn die Wellen brechen, hinterlassen sie zudem in den Fotos eine Art „Gischtspur“. Diese Ergebnisse sind nicht nur für die Klimaforschung relevant, sondern auch für einen ganz anderen Bereich. „Momentan nimmt die Zahl der Satelliten im erdnahen Orbit rasant zu“, sagt Prof. Bittner. „Dort etabliert sich gerade ein neues Industriegebiet. Die Flugkörper haben aber nur eine begrenze Lebensdauer – irgendwann fliegen sie immer niedriger und niedriger und stürzen schließlich ab.“

Wenn sie bei diesem Prozess mit einer Geschwindigkeit von mehreren Kilometern pro Sekunde in die oberste Atmosphärenschicht eintauchen, werden sie erheblich abgebremst. „Gerade in den Bereichen, in denen die Schwerewellen brechen, werden die Satelliten so stark durchgeschüttelt wie ein Auto auf einer Piste mit Schlaglöchern“, verdeutlicht Bittner. Das ist einer der Gründe, warum die Bahn der High-Tech-Flugkörper sich bislang nicht gut vorhersagen lässt.

Die GIGAWATT-Ergebnisse könnten auch hier Fortschritte ermöglichen. Vielleicht wird es auf ihrer Basis irgendwann möglich sein, Satelliten am Ende ihrer Lebenszeit gezielt so abstürzen zu lassen, dass die Trümmer im Meer landen – und nicht über bewohntem Gebiet niedergehen.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die Swiss National Science Foundation (SNSF) fördern das GIGAWATT-Projekt in den kommenden drei Jahren mit insgesamt 1,2 Millionen Euro.

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• Planet Erde

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Quelle: Freie Universität Berlin 25. März 2024.

25. März 2024 – Die unterirdischen Ozeane einiger Eismonde von Saturn und Jupiter sind Kandidaten für die Suche nach außerirdischem Leben. Eine laborbasierte Studie, durchgeführt größtenteils von Wissenschaftlern von Freier Universität Berlin und University of Washington in Seattle, zeigt, dass Leben, wenn es dort welches gibt, nachweisbar ist. Und zwar in einzelnen ausgestoßenen Eisteilchen. „Wir konnten erstmals zeigen, dass Zellmaterial von Bakterien mit einem Massenspektrometer auf einer Raumsonde nachweisbar ist“, betont Dr. Fabian Klenner, Leiter der Studie. Klenner ist Postdoc am Department of Earth and Space Sciences der University of Washington, zuvor forschte er an der Freien Universität Berlin.

Die Studie mit dem Titel „How to identify cell material in a single ice grain emitted from Enceladus or Europa“ wurde am 22. März in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht (doi.org/10.1126/sciadv.adl0849, https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl0849).

“Unsere Ergebnisse zeigen zunehmend, dass zukünftige Instrumente in der Lage sind, auf Eismonden winzige Lebensformen aufzuspüren, die denen ähneln, die wir von der Erde kennen“, betont Dr. Fabian Klenner, der Leiter der Studie.

Die Cassini Mission, die bis 2017 im Saturnsystem operierte, hatte in der Nähe des Südpols des eisigen Saturnmondes Enceladus nahezu parallele Risse entdeckt. Aus diesen Rissen strömen Gase und Eispartikel in das Weltall, die von dem unterirdischen Ozean des Mondes stammen. Europa, ein Eismond von Jupiter, wird bald detailliert von Instrumenten auf NASA’s Europa Clipper Raumsonde untersucht werden. Start der Mission ist für Oktober diesen Jahres (2024) vorgesehen.

In Vorbereitung auf diese und andere zukünftige Missionen untersuchen Forschende, was moderne Instrumente auf den Eismonden finden könnten. Aufgrund der hohen relativen Geschwindigkeiten der Eisteilchen zur Raumsonde, ist es sehr schwierig, Einschläge von einzelnen Eisteilchen auf Massenspektrometer zu simulieren. Die Forschenden haben stattdessen ein Experiment an der Freien Universität Berlin genutzt. Mit dem Versuchsaufbau haben die Forschenden einen dünnen Wasserstrahl in eine Vakuumkammer injiziert. Der Wasserstrahl zerfällt in winzige Tröpfchen, die dann mit einem Laser beschossen wurden. Die durch den Laserbeschuss entstandenen geladenen Teilchen wurden in einem Massenspektrometer im Labor untersucht, um vorherzusagen, was Instrumente auf Raumsonden detektieren würden.

Die neu veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass Instrumente, die für zukünftige Raumsonden vorgesehen sind, Zellmaterial aufspüren können. Und das funktioniert sogar, wenn das Zellmaterial in nur sehr wenigen einzelnen Eisteilchen vorhanden wäre. Ein Instrument, das diese Fähigkeit besitzt, ist der SUrface Dust Analyzer auf Europa Clipper.

Für ihre Studie verwendeten die Forschenden Sphingopyxis alaskensis, ein Bakterium, das in Gewässern von Alaska vorkommt. Im Vergleich zu Escherichia coli, einem gängigen Modellorganismus für Studien auf der Erde, leben die viel kleineren S. alaskensis Bakterien in kalter Umgebung und können mit nur wenigen Nährstoffen auskommen. Aufgrund all dieser Eigenschaften ist dieser Organismus womöglich ein geeigneterer Kandidat für potenzielles Leben auf einem Eismond.

“Die Bakterien sind extrem klein, sodass sie theoretisch in die ausgestoßenen Eisteilchen passen”, erläutert Fabian Klenner.

Von früheren Studien ist bekannt, dass verschiedene Substanzen in einem unterirdischen Ozean in einzelnen Eisteilchen getrennt ausgestoßen werden. Die neue Studie zeigt, dass die Analyse einzelner Eisteilchen deutlich vorteilhafter ist, um mögliches Leben zu identifizieren, als zuerst Milliarden von Eisteilchen zu sammeln und alle gemeinsam zu analysieren.

In einer weiteren Studie, die von den gleichen Wissenschaftlern angeleitet wurde, wurden kürzlich Phosphate in Enceladus‘ Ozean nachgewiesen. Enceladus hat somit genügend Energie, Wasser, Phosphate und andere Salze, sowie kohlenstoffbasiertes organisches Material, was es zunehmend wahrscheinlicher macht, dass der Mond lebensfreundliche Bedingungen für bakterielle Lebensformen wie wir sie von der Erde kennen aufweist.

Die Forschenden vermuten, dass Bakterien, wenn sie eine Lipidmembran besitzen, eine hauchdünne Schicht auf der Oberfläche des Ozeans bilden würden. Ein Prozess, den man von der Erde kennt. Auf einem Eismond, bei dem der Ozean mit der Oberfläche verbunden ist (z.B. durch Risse in der Eiskruste), bringt der Druckunterschied zum Vakuum des Weltalls den kalten Ozean zum Kochen. Zudem platzen Gasblasen, die im Ozean aufsteigen, an der Wasseroberfläche, wodurch Zellmaterial in sich bildende Eisteilchen eingeschlossen werden könnte.

“Wir beschreiben hier ein plausibles Szenario wie Bakterien in Eisteilchen eingeschlossen werden könnten, die sich von flüssigem Wasser auf Enceladus oder Europa bilden und dann in das Weltall ausgestoßen werden“, sagt Fabian Klenner.

Der SUrface Dust Analyzer auf Europa Clipper hat bessere analytische Fähigkeiten als Instrumente vergangener Missionen. Zudem wird dieses Instrument zum ersten Mal in der Lage sein, negativ geladene Ionen von Einschlägen der Eisteilchen zu detektieren, was vorteilhaft für das Aufspüren möglicher Fettsäuren und Lipide ist.
“Ich finde es sogar etwas spannender, nach Lipiden oder Fettsäuren zu suchen als nach den Bestandteilen von DNA, da Fettsäuren etwas stabiler zu sein scheinen“, ergänzt Fabian Klenner.

“Mit geeigneten Instrumenten, wie zum Beispiel dem SUrface Dust Analyzer auf NASA’s Europa Clipper Raumsonde, könnte es einfacher sein als wir dachten, Spuren von Leben auf einem Eismond zu finden”, erklärt Prof. Frank Postberg, Mitautor der Studie. Frank Postberg ist Professor für Planetologie am Institut für Geologische Wissenschaften der Freien Universität Berlin. „Die Voraussetzung ist natürlich, dass es dort Leben gibt und die Lebensformen auch in Eisteilchen eingeschlossen werden, die sich z.B. aus flüssigem Wasser unter der Eiskruste bilden“

Die Studie wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC), der NASA und der Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert. Die weiteren Mitautoren sind Janine Bönigk, Dr. Maryse Napoleoni, Dr. Jon Hillier und Dr. Nozair Khawaja von der Freien Universität Berlin, Prof. Karen Olsson-Francis von The Open University in Großbritannien, Dr. Morgan Cable und Dr. Michael Malaska von NASA’s Jet Propulsion Laboratory (USA), Prof. Sascha Kempf von der University of Colorado in Boulder (USA) und Prof. Bernd Abel von der Universität Leipzig.

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• Europa Clipper (EC) zum Jupitermond Europa

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Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München 24. November 2023.

München, den 24. November 2023 – An der LMU startet der neue Sonderforschungsbereich (SFB) TRR 392 „Molecular Evolution in Prebiotic Environments“ in Kooperation mit der Technischen Universität München (TUM). Die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erforschen die allerersten Schritte der Entstehung des Lebens auf der Erde. Dabei geht es um die Frage, wie Moleküle in einer präbiotischen Welt eine Evolution durchlaufen und die ersten Lebensinformationen in Sequenzform hervorgebracht haben konnten.

Um Antworten auf diese Frage zu finden, bringt der SFB Fachwissen aus verschiedenen Bereichen zusammen, darunter Geowissenschaften, Chemie, Astrophysik, Biophysik und Biochemie. „Ein solcher interdisziplinärer Ansatz ist in diesem Feld einzigartig“, sagt Professor Dieter Braun, der Sprecher des neuen Sonderforschungsbereichs. Nur so werde man in der Lage sein, Wissenslücken zu schließen und die Geschichte der chemischen Evolution aufzuklären.

Die Projekte im Rahmen des SFB widmen sich dabei zum Beispiel der Frage, welche chemischen, physikalischen und geologischen Bedingungen erforderlich sind, um die molekulare Evolution der RNA auszulösen und erste genetische Informationen zu schaffen und zu erhalten. Außerdem wollen die Forschenden neuartige biotechnologische Ansätze entwickeln und die molekulare Evolution autonom in einem synthetischen System ablaufen lassen. Die Experimente sollen auch Aufschluss darüber geben, wie man auf anderen Planeten die Voraussetzungen für frühes Leben definieren könnte.

Weitere Förderperiode:
Neben der Einrichtung des neuen Sonderforschungsbereichs bewilligte die DFG auch die Fortführung eines weiteren Sonderforschungsbereichs mit Beteiligung der LMU:
TRR 274: „Checkpoints in der Regeneration des zentralen Nervensystems“

Die Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU)
Die LMU ist eine der führenden Universitäten in Europa mit einer über 500-jährigen Tradition. Sie bietet ein breites Spektrum aller Wissensgebiete – die ideale Basis für hervorragende Forschung und ein anspruchsvolles Lehrangebot. Es reicht von den Geistes- und Kultur- über Rechts-, Wirtschafts- und Sozialwissenschaften bis hin zur Medizin und den Naturwissenschaften. 20 Prozent der 52.000 Studierenden kommen aus dem Ausland – aus insgesamt 140 Nationen. Das Know-how und die Kreativität der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bilden die Grundlage für die herausragende Forschungsbilanz der Universität. Der Erfolg der LMU in allen drei Phasen des Exzellenz-Wettbewerbs und die dauerhafte Förderung als „Exzellenzuniversität“ dokumentieren eindrucksvoll die Forschungsstärke der Münchener Universität. (https://www.lmu.de/de/index.html)

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• Planet Erde

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Quelle: Universität Hamburg 24. August 2023.

24. August 2023 – Supermassereiche schwarze Löcher befinden sich in der Regel in den Zentren von Galaxien und besitzen eine Masse von mehr als 100.000 Sonnen. Astronominnen und Astronomen nehmen an, dass diese schwarzen Löcher durch massereiche Sterne im frühen Universum entstanden sind. Die Entdeckung von einigen dieser Objekte mit Massen von Milliarden Sonnen im frühen Universum, weniger als 800 Millionen Jahre nach dem Urknall, stellt die gängigen Theorien ihrer Entstehung vor große Herausforderungen.

„Das Ziel meiner Emmy Noether-Gruppe ist es, den Ursprung dieser supermassereichen schwarzen Löcher und ihr frühes Wachstum besser zur verstehen“, sagt Dr. Jan-Torge Schindler von der Hamburger Sternwarte im Fachbereich Physik der Universität Hamburg. „Unsere Ergebnisse beleuchten damit auch die Entstehung der ersten Galaxien im frühen Universum. Damit forschen wir letztendlich an unserem kosmologischen Weltbild und prüfen, ob und wie die einzelnen vorhandenen Theorien und Vorstellungen ineinandergreifen.“

Für die Beantwortung dieser Fragen verwenden die Forschenden große Himmelsdurchmusterungen, die in verschiedenen Wellenlängen Bilder vom Himmel machen, und suchen auf diesen Bildern nach passenden Lichtquellen. Schwarze Löcher sind zwar nicht sichtbar, aber während sie wachsen, umgeben sie riesige, heiße Scheiben aus Gas und Staub. Diese können in der Distanz als punktförmige Lichtquellen beobachtet werden. Anschließend bewerben sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Beobachtungszeit an großen Observatorien, um durch Spektroskopie festzustellen, ob es sich bei den Lichtquellen tatsächlich um die gesuchten Objekte aus dem frühen Universum handelt.

„Zeitlich passend zu meiner Emmy Noether-Gruppe ist vor kurzem die Euclid-Mission gestartet. Das ist ein Weltraumteleskop der Europäischen Weltraumorganisation ESA, welches in den kommenden sechs Jahren ein Drittel des Nachthimmels im nahen Infrarotbereich beobachten wird“, sagt Schindler, der auch im universitären Exzellenzcluster „Quantum Universe“ forscht. „Da keine Atmosphäre im Weg ist, erhalten wir eine sehr lichtsensitive Karte von Milliarden von Galaxien, die es uns erlaubt, wachsende supermassereiche schwarze Löcher nur wenige 100 Millionen Jahre nach dem Urknall zu finden. Zudem gibt es eine hohe Wahrscheinlichkeit, auch völlig neue Objekte zu entdecken.“

Um supermassereiche schwarze Löcher noch früher im Universum zu entdecken, nutzt die Nachwuchsgruppe auch künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen. Dafür entwickeln sie auf die neuen Himmelsdurchmusterungen angepasste Datensätze, um vorhandene Methoden effizient zu trainieren.

„Das Angebot von interdisziplinärer Forschung im Bereich des maschinellen Lernens, zum Beispiel im ‚Center for Data and Computing in Natural Sciences‘, war einer von vielen Gründen, warum ich mich entschieden habe, meine Emmy Noether-Gruppe in Hamburg anzusiedeln“, sagt Schindler. „Der Hauptgrund, an die Universität Hamburg zu kommen, waren allerdings die Synergien im Bereich der extragalaktischen Astrophysik. An der Hamburger Sternwarte gibt es bereits Expertise im Bereich von Galaxien, Galaxienclustern und Kosmologie. Da passt meine Forschung gut dazu. Ich bringe ein neues Thema mit, das sich sehr gut in die vorhandenen Themenfelder einfügt.“

Zur Person
Dr. Jan-Torge Schindler hat Physik an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel studiert. Anschließend promovierte er am Steward Observatory der University of Arizona (USA) in den Bereichen Astronomie und Astrophysik. Nach seiner Promotion forschte er als Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg und am Leiden Observatory der University of Leiden in den Niederlanden. Am 1. Juni 2023 startete seine Emmy Noether-Nachwuchsgruppe an der Hamburger Sternwarte im Fachbereich Physik der Universität Hamburg. Die Fördersumme über 1,7 Millionen Euro schließt die Programmpauschale mit ein.

Das Emmy Noether-Programm
Das Emmy Noether-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft eröffnet besonders qualifizierten Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern die Möglichkeit, sich durch die eigenverantwortliche Leitung einer Nachwuchsgruppe über einen Zeitraum von maximal sechs Jahren für eine Hochschulprofessur zu qualifizieren. Das Programm erinnert an Emmy Noether (1882–1935), eine deutsche Mathematikerin, die als eine Begründerin der modernen Algebra gilt. Zahlreiche Phänomene und Theorien sind nach ihr benannt.

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München 23. Mai 2023.

23. Mai 2023 – Übergangsmetallnitride und energiereiche Ionen im Weltraum stehen im Zentrum der Projekte der LMU-Forschenden Simon Kloß und Elena Kronberg, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit einer Förderung im Rahmen des Emmy Noether- beziehungsweise Heisenberg-Programms ausgezeichnet wurden.

Mit Hochdruck zu neuen Materialien
Der Chemiker Dr. Simon Kloß ist Leiter einer Arbeitsgruppe im Fachbereich Anorganische Chemie am Department für Chemie und Pharmazie. Für seine Forschung wird er nun von der DFG im Rahmen des Emmy Noether-Programms mit einer Förderung in Höhe von 1,7 Millionen Euro ausgezeichnet.

Spezielle Stickstoffverbindungen, sogenannte Übergangsmetallnitride, sind eine vielversprechende Materialklasse für zahlreiche Anwendungen, von Halbleitern für die Photovoltaik über Supraleiter bis hin zu Ferroelektrika für 5G-Technik. Bislang wird ihr Potenzial jedoch nicht ausgeschöpft, da der Zugang zu dieser Materialklasse mit herkömmlichen Synthesemethoden stark eingeschränkt ist.

In seinem Projekt „Funktionelle Übergangsmetallnitride“ will Simon Kloß moderne Hochdruck-Synthesemethoden durch Einsatz von Großvolumenpressen und Diamantstempelzellen entwickeln. Durch Drücke im Gigapascal-Bereich, was mehreren Zehntausend Bar entspricht, lassen sich neue und besonders stickstoffreiche Materialien herstellen. Diese wird er dann mit festkörperphysikalischen Methoden untersuchen, um ihre Eigenschaften, wie Magnetismus und Leitfähigkeit, zu analysieren. „Es ist überraschend, wie wenig wir momentan über Übergangsmetallnitride wissen, obwohl sie die nächsten Verwandten der vielseitig eingesetzten Übergangsmetalloxide sind“, sagt Kloß. „Unser neuer Ansatz gibt uns jetzt erstmalig die Gelegenheit, systematisch hochoxidierte Systeme zu untersuchen. Dabei interessieren uns ganz grundlegende Fragestellungen, etwa was die höchsten erreichbaren Oxidationsstufen sind, aber auch die Erforschung von Materialien mit potenziellen Einsatzmöglichkeiten wie den nitridschen Perovskiten.“

Das Emmy Noether-Programm fördert herausragend qualifizierte Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler und bietet ihnen die Möglichkeit, sich durch die eigenverantwortliche Leitung einer Nachwuchsgruppe für eine Hochschulprofessur zu qualifizieren.

Weltraumwetter-Vorhersage verbessern
Dr. Elena Kronberg ist Weltraumplasmaphysikerin und Privatdozentin an der Fakultät für Geowissenschaften im Fachbereich Geo- und Umweltwissenschaften/Geophysik. Für ihre Forschung wurde sie nun mit einer Förderung durch das Heisenberg-Programm ausgezeichnet.

Durch die Leere des Weltraums schwirrt eine Vielzahl verschiedener Strahlungen und Teilchen. Einige davon bergen Risiken, zum Beispiel weil sie Satelliten gefährden und beschädigen können. Dazu gehören auch hochenergetische Ionen.

Im Rahmen ihres Heisenberg-Projekts mit dem Titel „Energiereiche Ionen im Weltraum“ will Elena Kronberg die Dynamik dieser energetisch geladenen Teilchen näher erforschen. Sie verbindet dazu theoretische Ansätze mit Weltraumbeobachtungen. „Das Verständnis der Ionendynamik im Weltraum ist wichtig für den Schutz von Satelliten vor gefährlichen Teilchen“, sagt Kronberg. In Kombination mit auf Künstlicher Intelligenz basierenden Modellen und globalen Weltraumwettersimulationen sollen die Vorhersagen des Weltraumwetters auf ein neues Niveau gebracht werden.

Das Heisenberg-Programm fördert herausragende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die alle Voraussetzungen für die Berufung auf eine Langzeit-Professur erfüllen. Die Forschenden können sich so auf eine wissenschaftliche Leitungsfunktion vorbereiten und in dieser Zeit weiterführende Forschungsthemen bearbeiten.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Wissenschaft im Dialog (WiD) vom 04. April 2023.

Von der Erde über benachbarte Exoplaneten bis hin zum Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße: Im Wissenschaftsjahr 2023 – Unser Universum nimmt das Ausstellungsschiff seine Besucherinnen und Besucher mit auf eine Reise durch unsere Galaxie – und darüber hinaus. An rund 30 interaktiven Exponaten lässt sich das Universum spielerisch entdecken. So können Interessierte virtuell zu unserem benachbarten Sonnensystem Alpha Centauri fliegen oder auf fernen Monden nach außerirdischem Leben suchen. Außerdem erfahren sie, wie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit Teleskopen weit ins All schauen und beispielsweise Sternenexplosionen untersuchen. Andere Exponate richten den Blick auf die Erde und befassen sich etwa mit Satelliten, die Veränderungen durch den Klimawandel auf unserem Planeten beobachten. Auch kulturelle und historische Unterschiede in den Vorstellungen der Menschen vom Universum sind Thema der Ausstellung. Darüber hinaus lernen Ausstellungsgäste, wie sie selbst zur Forschung beitragen können, etwa indem sie Sternenstaub vor der eigenen Haustüre suchen.

Die Exponate zeigen, wie sich unterschiedliche wissenschaftliche Disziplinen von der Astrophysik bis zur Kunstgeschichte mit dem Weltraum beschäftigen. So weckt die Ausstellung nicht nur Begeisterung für das Universum, sondern illustriert auch, wie vielfältig seine Erforschung ist und welche Erkenntnisse eine Bedeutung für unseren Alltag haben.

Die Tour 2023
Von Berlin aus fährt das Schiff nach Brandenburg und Sachsen-Anhalt, und von dort weiter Richtung Schleswig-Holstein und Hamburg. Anschließend geht es für die MS Wissenschaft über Niedersachsen, Nordrhein-Westfalen, Rheinland-Pfalz und Baden-Württemberg weiter nach Hessen. Im September erreicht das Ausstellungsschiff Bayern. Dort endet in Nürnberg die diesjährige Deutschlandtour und die MS Wissenschaft fährt weiter Richtung Österreich, wo sie in Krems, Tulln und Wien Halt macht.

Die MS Wissenschaft tourt im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung durch Deutschland. Wissenschaft im Dialog (WiD) realisiert die Ausstellung mit Unterstützung der hinter WiD stehenden Wissenschaftsorganisationen. Die Exponate kommen direkt aus der Forschung und werden zur Verfügung gestellt von Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft, Helmholtz-Gemeinschaft, Leibniz-Gemeinschaft, Max-Planck-Gesellschaft und DFG-geförderten Projekten, Hochschulen sowie weiteren Partnern. Die Ausstellung wird für Besucherinnen und Besucher ab zwölf Jahren empfohlen.

Alle Stationen der Tour auf einen Blick: ms-wissenschaft.de/besuch/tour-2023/

Öffnungszeiten:
Täglich 10 – 19 Uhr (für Schulklassen ab 9 Uhr).
Informationen zu Abweichungen in einzelnen Städten auf der Website ms-wissenschaft.de/besuch/tour-2023/.

Informationen zur Ausstellung: ms-wissenschaft.de
Informationen zum Wissenschaftsjahr 2023 – Unser Universum: wissenschaftsjahr.de

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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Quelle: DLR 13. März 2023.

13. März 2023 – Gerade einmal anderthalb Jahre ist es her, seitdem die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR gemeinsam mit der Luxembourg Space Agency (LSA) den Startschuss für den Überflieger-2-Wettbewerb gegeben hatte. Vom 23. August bis zum 15. Oktober 2021 hatten beide Raumfahrtagenturen Studierende dazu aufgerufen, Ideen für eigene Experimente auf der Internationalen Raumstation ISS einzureichen. Nach der Bekanntgabe der Gewinner am 2. Dezember 2021 hatten die Teams ein Jahr Zeit, Ihre Technik zu entwickeln, zu bauen und fit für den Flug ins All zu machen. Am 15. März 2023 ist es dann so weit: Die Gewinnerexperimente werden nun an Bord einer Falcon-9-Rakete des US-amerikanischen Raumfahrtunternehmens SpaceX von Cape Caneveral (Florida) zur Internationalen Raumstation ISS aufbrechen.

„Wir freuen uns sehr, dass wir vier ambitionierte Experimente von engagierten Studentinnen und Studenten aus Deutschland und Luxemburg gemeinsam mit unseren Kollegen aus dem Nachbarland in so kurzer Zeit auf den Weg zur ISS gebracht haben. Mit Überflieger 2 unterstützen wir junge Talente in enger länderübergreifender Zusammenarbeit und zeigen dabei: Raumfahrt kann auch schnell gehen und ist keine Frage des Geschlechts. Denn alle Teams werden von Frauen geleitet“, betont Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstand und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. Mit dabei an Bord der Rakete sind „ADDONISS“ von der TU München, „BRAINS“ von der University of Luxembourg, „FARGO“ von der Universität Stuttgart und „Glücksklee“ von der Leibniz Universität Hannover.

Überflieger 2 – junge Teams stemmen eigene Raumfahrtmission
Die Gewinner mussten zunächst ein interdisziplinäres Team aus Studierenden verschiedenster Fachrichtungen zusammenstellen, um alle wissenschaftlichen, technischen und organisatorischen Aspekte der Experimententwicklung abzudecken und so in der Lage zu sein, sowohl ihr Experiment zu entwickeln und zu bauen als auch das Projektmanagement und die Qualifikation für den Weltraum zu bewältigen. Geholfen hat ihnen dabei die yuri GmbH – ein deutsches Weltraum-Start-up aus Meckenbeuren (Baden-Württemberg). „Ein Jahr spannender Arbeit liegt nun hinter den Teams. Sie müssen neben ihrem Studium eine komplette Raumfahrtmission selbst stemmen. Das ist eine große Leistung und erfordert ein gutes Teamwork.

„Nun folgt die Kür mit dem Flug zur ISS und dem Betrieb der Experimente. Auf die Ergebnisse dürfen wir schon jetzt sehr gespannt sein“, freut sich Dr. Julianna Schmitz, Projektleiterin des Überflieger-2-Wettbewerbs bei der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. Wenn die Experimente in ihren 10 x 10 x 20 Zentimeter kleinen Containern auf der Internationalen Raumstation angekommen sind, werden sie von NASA-Astronaut Warren „Woody“ Hoburg oder dem ersten arabischen ISS-Raumfahrer Sultan Alneyadi in Empfang genommen und in das Tango-Lab im US-amerikanischen Destiny-Modul eingebaut.

30 Tage lang werden sie dort voll automatisiert – also ohne astronautische Hilfe – laufen. Programmänderungen sind aber durch Kommandos möglich, die die Teams an die Betreiberfirma SpaceTango übermitteln können. Auch die Experimentdaten bekommen die Teams von der Betreiberfirma übermittelt. Nach dem Ende der Betriebszeit werden die Experimente ausgebaut und kehren in der Dragon-Kapsel CRS-27 im April 2023 wieder zur Erde zurück.

ADDONISS – Gehirnforschung unter Weltraumbedingungen
Unter Weltraumbedingungen laufen in vielen Bereichen Alterungsprozesse deutlich schneller ab. Das hat die bisherige Forschung auf der ISS gezeigt. „Wir wollen uns diese Bedingungen auf der Raumstation nun zunutze machen, um mit unserem Experiment degenerative Erkrankungen des Gehirns – etwa Alzheimer – zu untersuchen. Dazu werden wir versuchen elektrische Signale von neuronalen Zellkulturen unter den dortigen Umgebungsbedingungen zu messen“, erklärt Selina Kanamüller vom Team WARR Space Labs der TU München in ihrem Experiment ADDONISS (Ageing and Degenerative Diseases of Neurons on the ISS).

Die Hälfte der Kulturen wird mit einem Mittel versetzt, welches ähnliche Soffwechselstörungen hervorruft wie die Alzheimer-Krankheit. Die Zellkulturen wachsen dabei direkt auf einem Mikrochip, der elektrische Signale und damit die Aktivität der Zellen messen kann. Gleichzeitig wird das Wachstum der Zellen auch von einem miniaturisierten Kamera-Mikroskop beobachtet. „Die Ergebnisse werden wir dann mit Experimenten auf dem Boden vergleichen und so hoffentlich mit unseren Weltraumergebnissen die Alzheimerforschung auf der Erde vorantreiben“, erklärt Selina Kanamüller.

BRAINS – Zellwachstum in Schwerelosigkeit untersuchen
Im Rahmen des BRAINS-Projektes wird das Wachstum von 3D-Zellkultursystemen, sogenannten Organoiden, unter Mikrogravitationsbedingungen an Bord der ISS untersucht. Derzeit versuchen Forschergruppen mit Hilfe von Organoiden das menschliche Mittelhirn möglichst genau nachzuahmen. Wenn sie im Labor kultiviert werden, sind die Zellen dichter gepackt und ihre Größe ist in der Regel auf einen Durchmesser von zwei bis drei Millimeter begrenzt. Das schränkt ihre räumliche Organisation und die Vielfalt der Zellpopulationen ein. „Wir wollen uns die Umgebungsbedingungen auf der Raumstation zunutze machen und die 3D-Zellorganisation der Organoide untersuchen.

Wir erhoffen uns größere und weniger dicht gepackte Organoide, die das physiologische menschliche Gehirn genauer nachahmen“, erklärt Elisa Zuccoli vom Team BRAINS (Biological Research using Artifical Intelligence for Neuroscience in Space) der University of Luxembourg. Nach 30 Tagen auf der ISS wird das Team künstliche Intelligenz für die Analyse von Bildmerkmalen einsetzen, um seine Ergebnisse mit den aktuellen Experimenten am Boden zu vergleichen. Sie gehen davon aus, dass das Wachstum der Mittelhirnorganoide unter Mikrogravitation einen großen Einfluss auf die zukünftige Pharmaindustrie und die regenerative Medizin haben könnte.

FARGO – Bauteile für die Raumfahrt von morgen
Während des ersten Überflieger-Wettbewerbs kam im Jahr 2018 das PAPELL-Experiment auf die ISS. Nun ist das Team des studentischen Vereins KSat e.V. von der Universität Stuttgart zum zweiten Mal dabei. „Wir bringen mit unserem neuen Experiment drei Anwendungen von sogenannten Ferrofluiden auf die Raumstation, um die Reaktion ihrer magnetischen Partikel auf Magnetfelder unter den dortigen Umgebungsbedingungen auf die Probe zu stellen. Wir testen zum Beispiel einen thermischen Flüssigkeitsschalter, der die Übertragung von Wärme zwischen zwei Bauteilen regelt, und einen elektrischen, der einen Stromkreis schließen und öffnen soll.

Außerdem erproben wir ein neuartiges System, bei dem wir durch Verwendung von Ferrofluid die Lageregelung von Kleinsatelliten übernehmen möchten“, erklärt Nicolas Heinz vom Team FARGO (Ferrofluid Application Research Goes Orbital). Allen drei Anwendungen ist gemeinsam, dass sie auf mechanische Teile weitestgehend verzichten, um die Gefahr eines Ausfalls aufgrund von Verschleiß deutlich zu reduzieren. Das Experiment untersucht nun, inwiefern die drei Konzepte in der Schwerelosigkeit funktionieren, um sie zukünftig bei Raumfahrtmissionen einsetzen zu können.

Glücksklee – Pflanzenwachstum auf der ISS unter der Lupe
Für zukünftige Langzeitmissionen im Weltraum müssen die astronautischen Crews auch zu „Selbstversorgern“ werden und Pflanzen als Nahrungsquelle in den Raumfahrzeugen anbauen können. „Allerdings wirkt sich die veränderte Schwerkraft während solcher Missionen auf das Pflanzenwachstum aus. Daher wollen wir auf der Raumstation die Veränderungen in der symbiotischen Beziehung von Klee (Medicago truncatula) und in der Erde lebenden Bakterien (Sinorhizobium melilot) in der Schwerelosigkeit erforschen“, erklärt Pia Bensch vom Team Glücksklee der Leibniz Universität Hannover. Am Boden nisten sich die Bakterien in den Wurzeln des Klees ein. Sie erhalten dabei Nährstoffe von der Pflanze und geben an diese Stickstoff ab, den die Pflanze wiederum zum Wachstum braucht. Doch wie läuft dieser Kreislauf unter diesen extremen Bedingungen ab? Um diese Frage zu beantworten, werden mehrere Kleesetzlinge unter kontrollierten Bedingungen im Experimentcontainer wachsen. Während des Aufenthalts auf der ISS wird das Wachstum von einer Kamera beobachtet. Nach der Rückkehr zur Erde wird der „Weltraum-Klee“ im Labor dann intensiv auf schwerkraftbedingte Veränderungen genetisch untersucht.

Die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) unterstützte Überflieger 2 bei der Auswahl der Experimente und der Bekanntmachung des Projekts. Die technische Umsetzung erfolgt über die Firma yuri GmbH aus Meckenbeuren. Der deutsche Anteil von Überflieger 2 wird finanziert mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK).

• **ISS** Forschung & Forschungseinrichtungen

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Der Beitrag Gewinnerexperimente des DLR-Studierendenwettbewerbs „Überflieger 2“ starten am 15. März erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Göttingen 22. Februar 2023.

22. Februar 2023 – Die Beobachtungen des internationalen Carmenes-Projekts haben in vier Jahren zur Entdeckung von 59 Exoplaneten geführt, von denen ein Dutzend potenziell lebensfreundlich ist. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben die Daten von rund 20.000 Beobachtungen veröffentlicht, die sie zwischen 2016 und 2020 für eine Stichprobe von 362 nahen kühlen Sternen gemacht hatten. Das Projekt mit Beteiligung der Universität Göttingen nutzt ein Instrument des Calar-Alto-Observatoriums mit dem Ziel, erdähnliche Exoplaneten (mit fester Oberfläche und gemäßigten Temperaturen) zu finden, die möglicherweise flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche beherbergen. Die Studie ist in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics erschienen.

Das Carmenes-Instrument ist ein optischer und Nahinfrarot-Spektrograf – ein Gerät, das sowohl sichtbares als auch infrarotes Licht von den Objekten misst. Es wurde 2015 am Calar-Alto-Observatorium in Südspanien installiert, um in der Nähe von roten Zwergsternen erdähnliche Exoplaneten zu finden.

„Mit dieser neuen Methode hat Carmenes seit seiner Inbetriebnahme 17 bekannte Planeten neu analysiert und 59 neue Planeten in der Nähe unseres Sonnensystems entdeckt und bestätigt“, erklärt Erstautor Prof. Dr. Ignasi Ribas vom Institut d‘Estudis Espacials de Catalunya (IEEC). In der Tat hat das Projekt die Zahl der uns bekannten Exoplaneten um nahe gelegene kühle Sterne verdoppelt. Dabei wurde fast die Hälfte aller Sterne in der Sonnenumgebung beobachtet, und ein anderer Teil kann nur von der südlichen Hemisphäre aus beobachtet werden. Darüber hinaus liefern die gewonnenen Spektren auch äußerst wertvolle Informationen über die Atmosphären der Sterne und ihrer Planeten.

Das Institut für Astrophysik und Geophysik der Universität Göttingen ist für die Verarbeitung der Daten und die Kalibrierung des Instruments verantwortlich. Zur Auswertung der wissenschaftlichen Daten finanziert die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) die Forschungsgruppe „Blue Planets around Red Stars“, die in Göttingen koordiniert wird. „Die wissenschaftlichen Daten des Carmenes-Projekts liefern Einblick in eine Welt von Planeten, die uns bisher verborgen geblieben ist“, sagt Prof. Dr. Ansgar Reiners, Zweitautor der Studie und Sprecher der DFG-Forschungsgruppe. „Besonders interessieren uns aber auch die Sterne, bei denen sich die Planeten befinden. Neben den Planetenentdeckungen haben wir sehr viel über die Physik der Sterne gelernt, wobei insbesondere die magnetischen Eigenschaften und ihre Auswirkungen auf die mögliche Bewohnbarkeit von Planeten interessant sind.“

Bei der aktuellen Veröffentlichung, an der rund 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von mehr als 30 Forschungszentren beteiligt waren, handelt es sich um den 100. Artikel des Projekts. Das Carmenes-Projekt wird seit 2021 als „Carmenes Legacy-Plus“ fortgesetzt. Die Beobachtungen der Projektverlängerung dauern mindestens bis Ende 2023 an. Weitere Informationen sind unter https://carmenes.caha.es/ zu finden.

Originalveröffentlichung:
Ignasi Ribas et al. The CARMENES search for exoplanets around M dwarfs. Guaranteed time observations data release 1 (2016-2020). Astronomy & Astrophysics 2023.

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• Exoplaneten

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Quelle: TU Dresden 22. Februar 2023.

22. Februar 2023 – Was ist dunkle Materie? Was hat es mit Neutrinos auf sich? Wie funktionieren Sterne und was war eigentlich in den ersten Minuten nach dem Urknall im Universum los? Zur Beantwortung dieser Fragen benötigt man sehr empfindliche Detektoren und sehr viel Geschick. Nur in wenigen Laboren auf der Welt konnte man bisher solch sensitive Messungen durchführen. Seit kurzem gibt es jedoch auch in Deutschland einen derart empfindlichen Detektor, der den Forschenden zukünftig Antworten auf diese Fragen ermöglichen kann.

Nach langer Entwicklungsarbeit haben die Forschenden vom Institut für Kern- und Teilchenphysik (TU Dresden) und dem Institut für Strahlenphysik (HZDR) den Aufbau im Untertagelabor „Felsenkeller“ Dresden nun in Betrieb genommen. Sie können damit fortan Proben von Stoffen und Materialien mit einer Radioaktivität im Bereich von 100 Mikrobequerel analysieren, in anderen Worten, Proben mit 100 Millionen mal weniger Radioaktivität, als im menschlichen Körper vorhanden ist. Damit gehört der Messaufbau im Felsenkellerlabor zu der Weltspitze der sensitivsten Messgeräte für Radioaktivität.
„Wenn man seltene Prozesse und geringe Aktivitäten in der Physik untersuchen möchte, dann braucht man prinzipiell zwei Dinge: einerseits viel Geduld – denn die Prozesse finden ja nur selten statt – und andererseits eine Umgebung, die möglichst strahlungsarm ist, damit der Detektor nicht permanent von natürlichen Strahlungsquellen, wie sie z. B. in jedem Baumaterial vorhanden sind, gestört wird“, erklärt Steffen Turkat, TUD-Mitarbeiter im Felsenkeller-Labor.

So schützt die 45 Meter dicke Felsschicht im Stollen des ehemaligen Eislagers der Dresdner Felsenkeller-Brauerei den Detektor zwar vor einem Großteil der kosmischen Strahlung, jedoch nicht vor der natürlichen Radioaktivität aus der Umgebung. Daher mussten die Forschenden den Detektor zusätzlich mit einer ausgetüftelten Anordnung aus strahlungsarmen Betonwänden, großen Mengen an Blei und Kupfer sowie sogenannten Veto-Detektoren schützen. Nur so kann dieser hochempfindliche Aufbau funktionieren und Kernumwandlungen aus den wertvollen Proben auswerten.

„Ich freue mich besonders über die Vielzahl an ungeplanten Anfragen von interessierten Kolleg*innen weltweit, die den Detektor nun gerne nutzen würden. Bei diesen Anfragen geht es dann schnell mal um extrem wertvolle und seltene Proben, die wissenschaftlich äußerst spannend sind, die aber mit anderen Detektoren nicht analysiert werden können. So ein Detektor erzeugt somit automatisch neue Kollaborationen und Vernetzungen zu anderen faszinierenden Fachgebieten“, erläutert Steffen Turkat.

Prof. Kai Zuber von der TU Dresden ist der wissenschaftliche Leiter des Felsenkellerlabors und freut sich insbesondere darauf, seine eigenen anspruchsvollen Forschungsinteressen in der Physik jenseits des Standardmodells quasi vor der Haustür verfolgen zu können: „Ich interessiere mich vor allem für den doppelten Betazerfall und die Suche nach Prozessen, die die geladene Leptonenzahl verletzen würden. Aber auch für die Verbesserung der Halbwertszeiten von Radionukliden ist der Felsenkeller nun exzellent geeignet.“

Auch Prof. Daniel Bemmerer, Technischer Leiter des Felsenkellerlabors und Gruppenleiter für Nukleare Astrophysik am HZDR, ist begeistert von den neuen Möglichkeiten, die der Detektor bietet: „Wir können nun Aktivierungsmessungen für Kernfusions-Experimente bei Energien durchführen, die den eigentlichen Energien und Temperaturen in unserer Sonne wesentlich näherkommen, als es bisher möglich war. Dadurch wird auch eine neue Nutzungsmöglichkeit für den Felsenkeller-Beschleuniger geschaffen.“
Neben dem neuen Detektor ist in Deutschlands tiefstem Untertage-Physiklabor bereits seit 2019 ein Ionenbeschleuniger zur Untersuchung der wichtigsten Prozesse im Inneren der Sterne in Betrieb.

Der Detektor wurde aus Mitteln des Großgeräteprogramms der Deutschen Forschungsgemeinschaft beschafft.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik e.V. an der Universität Rostock 4. Januar 2023.

4. Januar 2023 – Das Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik startet mit voller Kraft ins neue Jahr: Gleich zwei Projekte konnten die Forschenden der Abteilung Optische Sondierung an Land ziehen.

Unter dem Kürzel DEFINE („Density Field in the MLT“) bereitet das Kühlungsborner Institut in Kooperation mit Partnern aus Norwegen und Schweden in den kommenden Monaten einen Raketenstart vor. Ziel ist es, Parameter in der Mesosphäre und der unteren Thermosphäre zu messen und Aussagen zur Strahlungsbilanz zu treffen. Die Rakete soll im Jahr 2025 aus dem norwegischen Andøya starten. Das Projekt DEFINE wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz mit 3 Millionen Euro gefördert. Projektträger ist das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt.

Gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universität Greifswald arbeitet das Institut zudem an einer neuartigen Lidar-Methode, um Staubpartikel von Meteoren in der mittleren Atmosphäre zu beobachten. Dafür stellt die Deutsche Forschungsgemeinschaft dem Kühlungsborner Institut 300.000 Euro bereit. Starttermin für dieses Forschungsprojekt ist im Juni 2023.

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• Planet Erde

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Quelle: GFZ 20. Dezember 2022.

20. Dezember 2022 – Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert die Forschungsgruppe „Uhrenmetrologie: Die ZEIT als neue Variable in der Geodäsie“ (Sprecher: Prof. Ulrich Schreiber, TU München) mit insgesamt zehn Projekten, davon vier mit Beteiligung von GFZ-Department 1 „Geodäsie“, Sektionen 1.1., 1.2. und 1.3. Die Laufzeit beträgt vier Jahre mit der Option auf eine Verlängerung um weitere vier Jahre.

Das übergeordnete Ziel dieser Forschungsgruppe ist die Bestimmung hochgenauer und langzeitstabiler geodätischer Referenzrahmen. Globale Referenzrahmen sind die messtechnische Grundlage für die Überwachung des Erdsystems und andere Anwendungen, z. B. die Quantifizierung von Veränderungsprozessen im Erdsystem sowie die Positionierung und Navigation auf der Erde und im Weltraum. Das Thema ist von hoher gesellschaftlicher Relevanz, weshalb am 26. Februar 2015 auch die Vereinten Nationen die UN-Resolution „Global Geodetic Reference Frame for Sustainable Development“ (GGRF, www.unggrf.org) verabschiedet haben. Die Resolution machte nochmals deutlich, wie wichtig genaue und langzeitstabile geodätische Bezugsrahmen sind.

Globale geodätische Bezugsrahmen werden durch eine Kombination von Messungen der vier wichtigsten geodätischen Weltraumverfahren bestimmt, die alle auf Zeitmessungen basieren. Die Kombination erfolgt in der Regel durch lokale Vermessungen, so genannte Local Ties, an weltweit verteilten Stationen, die verschiedene Techniken beobachten. Systematische Fehler begrenzen jedoch die Genauigkeit der kombinierten Lösung, des geodätischen Bezugsrahmens. Im Rahmen der Forschungsgruppe wird die „zeitliche Kohärenz“ zwischen den raumgeodätischen Techniken als neuartige Verbindung, die so genannte Uhrenverbindung, eingeführt.

Schleifenschlussmessungen („closure measurements“) − unter Verwendung einer gemeinsamen Uhr und eines gemeinsamen Bezugspunkts für die geodätischen Weltraumverfahren − werden zunächst am Geodätischen Observatorium Wettzell, Deutschland, durchgeführt. Es ist geplant, dass Wettzell mittels eines Satellitenlinks (ACES-Mission / ACES: Atomic Clock Ensemble in Space) über Zeittransfer mit der Satellite-Laser-Ranging-Station in Potsdam verbunden wird. Die Satellite-Laser-Ranging-Station am Deutschen GeoForschungsZentrum in Potsdam soll wiederum über Glaserfaser mit dem hochpräzisen und stabilen Zeitsystem der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt verbunden werden. Damit wird eine quasi-fehlerfreie Kombination der geodätischen Weltraumverfahren und ein deutlich verbesserter geodätischer Referenzrahmen möglich, der die Grundlage für die genaue Beobachtung unseres Planeten Erde bildet.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Lauter kleine Punkte, ein Muster ist nicht zu erkennen: Was für Laien lediglich weißgraue Fotos mit versprengten Krümeln sind, lässt Astronomenherzen höherschlagen. Die Rede ist von historischen Fotoplatten, die den Sternenhimmel als Negativ zeigen. Zusammen mit dem Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam sowie den Universitäten Hamburg und Tartu (Estland) haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) die astronomischen Aufnahmen digitalisiert und online veröffentlicht – nach zehn Jahren wurde das Projekt dank der finanziellen Unterstützung durch die Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) nun erfolgreich abgeschlossen. Eine Pressemitteilung der FAU.

Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) 4. Juli 2022.

4. Juli 2022 – Auch wenn die ältesten Aufnahmen „nur“ 129 Jahre alt sind – im Vergleich zu Maßstäben, die ansonsten in der Astronomie gelten, wahrlich ein winziger Augenblick –, sind sie von historischem Wert und bergen sie wissenschaftliche Schätze. Denn nur mit solchen Aufnahmen können heutige Astronominnen und Astronomen gleich über mehrere Jahrzehnte hinweg untersuchen, wie sich Sterne bewegen oder wie sich ihre Helligkeit verändert. So lassen sich neue Forschungsfragen beantworten und Abermillionen Sterne genauer und objektiver in Augenschein nehmen.

In mehreren Schritten hat das Forschungsteam seit 2012 in der Datenbank APPLAUSE – kurz für Archives of Photographic Plates for Astronomical USE – die Aufnahmen aus den Archiven der Partnerinstitute aus den Jahren 1893 bis 1998 digitalisiert und in einem Katalog mit Details zur Aufnahme wie Datum, Himmelsabschnitt und Aufnahmeort erfasst. Darüber hinaus entwickelte der Forschungsverbund eine Software, die künstliche Intelligenz nutzt, um Fehler auf den Platten wie Kratzer oder Staub zu beseitigen und die Aufnahmen zu kalibrieren und damit erst wissenschaftlich vergleichbar zu machen. Weltweit stehen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern nunmehr 4,5 Milliarden Messungen von Himmels-Lichtquellen für ihre Forschung zur Verfügung.

Insgesamt über 94.000 Fotoplatten digitalisiert
Einen bedeutenden Anteil der insgesamt 94.090 erfassten Fotoplatten sind die rund 40.000 Aufnahmen der Dr. Karl-Remeis-Sternwarte Bamberg – Astronomisches Institut der FAU. Denn darunter finden sich Fotografien, die fränkische Forscherinnen und Forscher zwischen 1963 und 1976 an Observatorien auf der Südhalbkugel aufgenommen haben. Diese zeigen den Südhimmel – weltweit eine Besonderheit, da in dieser Zeit kein einziges weiteres astronomisches Projekt diesen Teil des Firmaments dokumentierte. Neu hinzugekommen sind seit der letzten Veröffentlichung vor vier Jahren nun noch die Fotoplatten, die zwischen 1912 und 1968 in Bamberg entstanden sind und den Nordhimmel zeigen. Diese 17.600 Aufnahmen stellen die wichtigste Ergänzung im jetzt finalen Daten-Update dar.

Doch das ist nicht alles: Dank einer wissenschaftlichen Konferenz in Bamberg wurden weitere Sternwarten auf das Projekt aufmerksam. Wie zum Beispiel die Thüringer Landessternwarte Tautenburg. Sie stellte dem Forschungsverbund das Archiv des Karl-Schwarzschild-Observatoriums – die ehemalige Sternwarte der Akademie der Wissenschaften der DDR – aus den Jahren 1960 bis 1998 zur Verfügung. Oder das astronomische Observatorium des Vatikanstaats in Castel Gandolfo, deren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sich ebenfalls meldeten, um ihr Archiv in die Datenbank einpflegen zu lassen und so der weltweiten Forschungsgemeinde zu öffnen.

Neue Erkenntnisse dank langfristiger Aufnahmen
Doch welche Erkenntnisse lassen sich aus den historischen Fotoplatten heute noch gewinnen? Die Bamberger Sternwarte hatte mit ihren Durchmusterungen des Nord- und Südhimmels im vergangenen Jahrhundert zum Ziel, Sterne zu untersuchen, deren Helligkeit schwankt. Bei manchen Objekten ist ihre physikalische Beschaffenheit nicht bekannt, also aus welchen Gasen sie genau bestehen. So ist der Stern „HD49798“ ein besonders interessantes Beispiel. Seine unstetigen Lichtschwankungen wurden in den 1960er- und frühen 1970er-Jahren auf den Bamberger Fotoplatten registriert, konnten aber erst im vergangenen Jahr ausgewertet werden. Sie zeigen nämlich, dass der Stern in den Jahren 1964/65 immer heller leuchtete, um danach bis 1974 wieder schwächer zu leuchten. Hinzu kamen schnelle Lichtveränderungen innerhalb weniger Tage. Im Jahr 1999 wurde durch Satellitenmessungen schließlich entdeckt, dass von dem Stern Röntgenstrahlung ausgeht. Heute ist die Annahme, dass sie von einem unsichtbaren, sehr kompakten Begleiter, möglicherweise einem Neutronenstern, herrührt. Die langfristigen Helligkeitsvariationen waren bisher nicht bekannt, weil keine Messungen über einen so langen Zeitraum – zehn Jahre – existierten. Die historischen Daten der Fotoplatten liefern also bedeutende Hinweise für die Astronomie, die in den kommenden Jahren von Forscherinnen und Forschern noch auszuwerten sind. Das Sternenduo ist übrigens weiterhin einzigartig, denn bislang wurde keine andere Konstellation dieser Art im Weltall entdeckt.

Zugang zu den publizierten Daten von APPLAUSE: https://www.plate-archive.org/cms/

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• Geschichte der Astronomie/ Historisches

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

4. Mai 2022 – Mit der gemeinsamen Entscheidung von NASA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), den Flugbetrieb des Stratosphären-Observatoriums für Infrarot-Astronomie (SOFIA) im September 2022 einzustellen, enden auch die einzigartigen wissenschaftlichen Möglichkeiten für hochauflösende Fern-Infrarot-Spektroskopie mit dem deutschen Spektrometer GREAT, dem German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies. GREAT ist eine Entwicklung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und des Kölner Observatoriums für Submillimeter-Astronomie (KOSMA) / Universität zu Köln, in Zusammenarbeit mit dem DLR Institut für Optische Sensorsysteme, und wurde weitgehend unabhängig vom Budget der Deutschen Raumfahrt-Agentur (DLR) finanziert. Beobachtungen mit GREAT wurden auch von der allgemeinen SOFIA-Nutzergemeinschaft stark nachgefragt.

Das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie (SOFIA) mit dem deutschen GREAT-Spektrometer an Bord wird im Juli und August 2022 von Neuseeland aus zu seinen letzten zwanzig Beobachtungsflügen starten. Mit der gemeinsamen Entscheidung von NASA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), den Flugbetrieb im September 2022 einzustellen, enden auch die einzigartigen wissenschaftlichen Möglichkeiten für hochauflösende fern-Infrarot-Spektroskopie, die GREAT möglich gemacht hat.

Mit SOFIA, einer umgebauten Boeing-Maschine, deren Flughöhe oberhalb von 13 Kilometern liegt, können Forschende einen Wellenlängenbereich des Lichts beobachten, der von der Erde aus nicht zugänglich ist. Das spektral-höchstauflösende, abbildende Spektrometer GREAT (German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) an Bord von SOFIA kann von ausgedehnten Himmelsregionen mit hoher räumlicher und spektraler Auflösung eine Art von chemischem Fingerabdruck erstellen. GREAT ist eine Entwicklung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und des Kölner Observatoriums für Submillimeter-Astronomie (KOSMA) / Universität zu Köln, in Zusammenarbeit mit dem DLR Institut für Optische Sensorsysteme. Die Entwicklung wurde von den beteiligten Instituten, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereichs 956 finanziert.

Seit dem First Light an Bord von SOFIA am 1. April 2011 hat GREAT fast 250 erfolgreiche Wissenschaftsflüge durchgeführt und dabei in 2.000 Stunden einzigartige wissenschaftliche Daten mit hohem Wert für die Nachwelt gesammelt, die anders nicht hätten beobachtet werden können. Die Betriebsfrequenzen des Spektrometers wurden speziell ausgewählt, um Spektrallinien von hoher astrophysikalischer Relevanz im fernen Infrarotbereich zu erfassen, in dem die Erdatmosphäre für bodengebundene Beobachtungen völlig undurchsichtig ist.

GREAT hat – in enger Zusammenarbeit mit den interessierten internationalen Wissenschaftler*innen – ein breites Spektrum wissenschaftlicher Themen abgedeckt, von der Erforschung der Erdatmosphäre und der Planeten bis hin zur Erforschung der Sternentstehung und der Physik und Chemie des interstellaren Mediums in der Milchstraße und nahen Galaxien. Ein besonderer Schwerpunkt lag auf der effizienten großräumigen Kartierung der atomaren Feinstrukturlinien von Kohlenstoff und Sauerstoff, die die stärksten Kühl-Linien des sternbildenden interstellaren Mediums sind.

Unter den neuen Molekülen, die mit GREAT entdeckt wurden, fand die Entdeckung der frühesten molekularen Bindung des Universums, das Heliumhydrid-Molekül, HeH+, größte internationale Aufmerksamkeit. Die wissenschaftlichen Ergebnisse der GREAT-Beobachtungen wurden in zahlreichen Publikationen in Fachjournalen, darunter die Ergebnisse der ersten Forschungsflüge in einem Sonderband von Astronomy & Astrophysics, und in vielen Beiträgen auf einschlägigen Konferenzen vorgestellt.

Der unmittelbare Zugang auf der Flugzeug-gestützten Plattform, im Unterschied zu Weltraummissionen, ermöglichte es dem GREAT-Konsortium, das Instrument kontinuierlich mit den neuesten Technologien weiter zu entwickeln. Angefangen mit Einkanal-Detektoren mit Flüssig-Helium-Kühlung wurde das Instrument 2015–16 zum leistungsfähigsten FIR-Array-Heterodyn-Spektrometer aller Zeiten aufgerüstet, das mit 14+7 Pixeln gleichzeitig in zwei Frequenzbändern arbeitet. Es übertrifft frühere weltraumgestützte Experimente hinsichtlich der Beobachtungsgeschwindigkeit um mehr als eine Größenordnung. Die Publikation, die das Instrument beschreibt, wurde mit dem „2018 THz Science and Technology Best Paper Award“ der renommierten IEEE Microwave Theory and Techniques Society ausgezeichnet.

Das GREAT-Team und seine Nutzergemeinschaft freuen sich nun auf den erfolgreichen Abschluss der laufenden Beobachtungsprojekte des Zyklus 9 während der bevorstehenden letzten Beobachtungskampagne von der südlichen Hemisphäre aus.

Über GREAT:
GREAT, der „German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies“, ist eine Entwicklung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und des Kölner Observatoriums für Submillimeter-Astronomie (KOSMA) / Universität zu Köln, in Zusammenarbeit mit dem DLR-Institut für Optische Sensorsysteme. Die Entwicklung wurde von den beteiligten Instituten, vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Rahmen der Förderungen 50 OK 1102, 1103 und 1104 sowie im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereichs 956 finanziert.

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Quelle: TU Berlin.

1. April 2022 – Sprecher des Verbunds ist Prof. Dr. Frank Flechter, Leiter des Fachgebiets Physikalische Geodäsie an der TU Berlin und Leiter der Sektion “Globales Geomonitoring und Schwerefeld” am Helmholtz Zentrum Potsdam, GFZ Deutsches GeoForschungsZentrum. Nerograv („New Refined Observations of Climate Change from Spaceborne Gravity Missions“) hat das Ziel, die Genauigkeit, Auflösung und Konsistenz von Satellitendaten zur Messung des Erdschwerefelds zu verbessern.

Bereits heute liefern die Satellitenmissionen Grace (Gravity Recovery and Climate Experiment) und Grace-Follow On mit je zwei Satelliten Daten, die das Schwerefeld der Erde samt seiner zeitlichen Variationen beschreiben. Damit können beispielsweise Hydrologen auf großen Skalen quantifizieren, wieviel Grundwasser verloren geht, Glaziologen können das Abschmelzen der Eisschilde in Grönland und der Antarktis beobachten und Ozeanographen sind in der Lage, das Massen- und Temperaturbudget der Ozeane zu erfassen. Die Ergebnisse von Nerograv werden auch für die Planung von weiteren Weltraummissionen, den „Next Generation Gravity Missions“, von großer Bedeutung sein.

Weiterführende Informationen
Projekt „FOR 2736: New Refined Observations of Climate Change from Spaceborne Gravity Missions (NEROGRAV)„

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• Klimawandel

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Quelle: Universität Hamburg.

14. Dezember 2021 – Der Ozeanograph Prof. Dr. Detlef Stammer vom Centrum für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit (CEN) an der Universität Hamburg bekommt die Förderung im Rahmen eines Reinhart Koselleck-Projekts als Einzelperson zugesprochen. Mit solchen Projekten fördert die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) besonders innovative und in einem positiven Sinn risikobehaftete Forschungsansätze.

„In ein solches neues Klimamodell werden alle verfügbaren Messdaten und Beobachtungsdaten einfließen, die uns derzeit vorliegen, um das Modell realistischer zu machen“, sagt Prof. Stammer. Dafür sollen sämtliche vorhandenen Daten der vergangenen 50 Jahre über die Atmosphäre, den Ozean, den Boden oder das Meereis in das Modell eingespeist werden, zum Beispiel Temperatur, Niederschlag oder Kohlenstoffgehalt – weltweit und in unzähligen Zeitschritten. Ein Mammutprojekt.

Einen Namen hat das Vorhaben auch schon: EARTHRA. Dies steht für Erdsystem-Reanalyse. Das Ziel ist, das Klima der vergangenen 50 Jahre so zu simulieren, dass das Modell mit möglichst allen tatsächlichen Klimabeobachtungen übereinstimmt. Gelingt dies, würde sich ein riesiger Fundus an Wissen über die Vergangenheit eröffnen, denn das Modell könnte auch fehlende Messdaten ergänzen. Zudem würde es Klimavorhersagen für die Zukunft substanziell verbessern, und Wechselwirkungen und Fernwirkungen von Klima-Phänomenen könnten systematischer als bisher erforscht werden. „Wenn wir erfolgreich sind, wird das die weltweite Klimamodellierung enorm voranbringen. Auf solch ein Instrument hat die Forschungsgemeinde lange gewartet. Ich freue mich sehr, dass wir jetzt beginnen können“, so Stammer.

Universitätspräsident Univ.-Prof. Dr. Dr. h.c. Dieter Lenzen gratuliert: „Die Förderung im Rahmen der Reinhart Koselleck-Projekte der DFG zeigt einmal mehr die Spitzenklasse der Klimaforschung an der Universität Hamburg. Gerade dieser innovative Forschungsansatz von Prof. Stammer wird die Datenlage in der Klimaforschung maßgeblich voranbringen.“

Zunächst gilt es jedoch, methodische Herausforderungen anzugehen. Ein Erdsystemmodell setzt sich aus mehreren Teilmodellen zusammen. Es gibt beispielsweise je ein Modell für die Atmosphäre, den Ozean, die Vegetation – oder auch für Stoffkreisläufe wie den Kohlenstoffkreislauf auf der Erde. In jedem Teilmodell werden die physikalischen oder chemischen Prozesse möglichst genau durch mathematische Formeln beschrieben. Doch auch das detaillierteste Rechenmodell bleibt stets eine Vereinfachung der realen Welt und produziert deshalb auch Fehler. So ist es möglich, dass sich die neu eingespeisten Daten an verschiedenen Stellen widersprechen und dadurch auf Modellprobleme hinweisen. „Solche Unstimmigkeiten werden wir nutzen, um das Rechenmodell weiter zu verbessern, zum Beispiel indem wir gezielt bestimmte Parameter des Modells anpassen“, sagt Prof. Stammer.

In dieser Weise werden die Forschenden verschiedene Bereiche testen und überprüfen, welche Bausteine im weltweiten Klimarechenmodell verbessert werden müssen. Mithilfe der DFG-Förderung kann Prof. Stammer dafür über einen Zeitraum von fünf Jahren mehrere Stellen schaffen.

Prof. Dr. Detlef Stammer ist Direktor des Centrums für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit (CEN) und Sprecher des Exzellenzclusters „Climate, Climatic Change, and Society“ (CLICCS) an der Universität Hamburg sowie Leiter des World Climate Research Programme (WCRP).

Weitere Informationen zu den Reinhart Koselleck-Projekten sind auf den Seiten der DFG zu finden.

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• Klimawandel

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