Quelle: IRS, 20. April 2023.

Nach rund vier Wochen auf der Internationalen Raumstation (ISS) ist das Ferrofluid-Experiment der Universität Stuttgart wieder zurück. „Wir sind sehr zufrieden“, sagt Daniel Philipp, Leiter des in-orbit Betriebs und Co-Leiter des FARGO Elektronikteams der Universität Stuttgart. Den Studierenden ist es gelungen, alle drei Experimente zu betreiben und jeweils mindestens grundlegende Funktionstests erfolgreich durchzuführen. „Damit haben wir bewiesen, dass unsere Ferrofluid-Technologien für den prinzipiellen Einsatz im Weltraum geeignet sind.“

Neue Technologien sind zuverlässiger und günstiger
Mit dem Experiment wollten die Studierenden neue Technologien für die Raumfahrt erproben, die langlebiger, zuverlässiger und damit auch kostengünstiger sind als bisher. FARGO steht für Ferrofluid Application Research Goes Orbital. Untersucht wurden ein thermischer Schalter, der die Übertragung von Wärme zwischen zwei Bauteilen regelt, ein elektrischer Schalter, welcher einen Stromkreis schließen und öffnen soll, sowie ein neuartiges System zur Lageregelung von Kleinsatelliten. Alle Experimente beruhen dabei auf einer Ferrofluid-Technologie und verzichten auf mechanische Teile. Somit wird die Gefahr eines Ausfalls aufgrund von Verschleiß deutlich reduziert.

Als die Astronauten das Experiment in den Experimentierschrank auf der ISS eingebaut hatten, gab es zunächst Schwierigkeiten. „Eigentlich sollte das Experiment vollautomatisch starten und die Experimentliste abarbeiten, das funktionierte aber nicht“, erzählt Steffen Großmann, der für die Elektronik und Software von FARGO zuständig ist. Also hat das FARGO-Team schnell damit begonnen, bestehende Probleme am Bodenreferenzmodell nachzustellen, alternative Lösungen zu entwickeln und zu testen. „Letztendlich konnten wir mit einer neuen Methode einen halbautomatischen Betrieb des Experiments mit regelmäßigen neuen Updates von der Erde aus realisieren. Wir haben fast täglich neue Pläne entwickelt und angepasst. Das war eine sehr anstrengende Phase für uns.“

Eine besondere Herausforderung stellte das Experiment mit dem elektrischen Schalter dar: „Wir haben erst zwei Tage vor Missionsende geschafft, es zu starten. Das enthaltene Flüssigmetall tendiert dazu, mit der Zeit zu degradieren und dann weniger auf Magnetfelder zu reagieren. Vermutlich hatte unsere Probe im Weltraum dieses Problem. Erst mit einer neuen Art der Ansteuerung mit Hilfe gepulster Magnetfelder hat es dann auf der ISS geklappt“, sagt Großmann.

Rakete mit FARGO an Bord dockt von der ISS ab
https://youtu.be/Yi91eeY77y8

Die Ergebnisse des Projekts
Doch die vielen extra Stunden Arbeit und Kopfzerbrechen haben sich gelohnt. „Dass wir es letztlich geschafft haben, alle drei Experimente erfolgreich zu betreiben, ist ein großer Erfolg für uns“, resümiert Philipp.

Konkret heißt das:

• Das Kreiselsystem konnte gestartet werden, lief bei der gewünschten Zieldrehzahl und konnte bei verschiedenen Drehzahlen betrieben werden.
• Der thermische Schalter konnte gezielt angesteuert werden und verhielt sich gemäß den Erwartungen des FARGO-Teams. Dies gelang in mehrfachen Testreihen und Dauertests.
• Der elektrische Schalter konnte elektrische Lasten schalten und mehrfache gezielte Schaltsequenzen reproduzierbar durchführen.

Wie geht es jetzt weiter? Im Laufe der Woche werden die Studierenden das originale Experiment wieder in ihren Händen halten können und dann die echten Weltraum-Leistungsdaten der Entwicklungen sowie Bilder und Videos vom Verhalten auf der ISS sichten. Die ausführlichen Ergebnisse wollen die Studierenden dann auf Fachkonferenzen vorstellen.

Siehe auch die Portalmeldung vom 8. März 2023:

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• **ISS** Forschung & Forschungseinrichtungen

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 23. Januar 2023.

23. Januar 2023 – Die Dunkle Materie ist nach wie vor eines der größten Rätsel der modernen Physik. Es ist klar, dass es sie geben muss, denn ohne Dunkle Materie lässt sich etwa die Bewegung von Galaxien nicht erklären. Aber noch nie ist es gelungen, Dunkle Materie in einem Experiment direkt nachzuweisen. Aktuell gibt es viele Vorschläge für neue Experimente: Sie zielen darauf ab, die Dunkle Materie über ihre Streuung an Protonen und Neutronen, den Bestandteilen des Atomkerns, direkt nachzuweisen.

Ein Autorenteam, zu dem Gilly Elor, Postdoktorandin am Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg Universität-Mainz sowie Robert McGehee und Aaron Pierce von der University of Michigan in Ann Arbor (USA) gehören, hat nun einen neuen Kandidaten für Dunkle Materie vorgeschlagen – und ihm den Namen HYPER, für „HighlY Interactive ParticlE Relics“, gegeben. Der Clou: Im HYPER Modell erhöht sich einige Zeit nach der Entstehung der Dunklen Materie im frühen Universum schlagartig die Stärke ihrer Wechselwirkung mit normaler Materie – was sie einerseits heute potentiell nachweisbar macht und gleichzeitig die Menge an Dunkler Materie erklären kann. Das HYPER Dark Matter Modell und den darin erstmals enthaltenen Phasenübergang stellen die Forschenden nun in der aktuellen Ausgabe des renommierten Journals Physical Review Letters vor.

Die neue Vielfalt im Dunkle Materie Sektor
Nachdem die Suche nach schweren Dunkle Materie-Teilchen, so genannten WIMPs, bisher nicht zum Erfolg geführt hat, sucht die Forschergemeinde nach alternativen, vor allem auch leichteren Dunkle Materie-Teilchen. Gleichzeitig würde man im Allgemeinen Phasenübergänge auch im dunklen Sektor erwarten, schließlich gibt es mehrere im sichtbaren Sektor. Doch bisherige Studien haben sie eher vernachlässigt. „Für den Massenbereich, den einige geplante Experimente zugänglich machen wollen, gab es bisher noch kein konsistentes Dunkle Materie Modell“, sagt Gilly Elor. „Unser HYPER-Modell zeigt nun, dass ein Phasenübergang tatsächlich dazu beitragen kann, die Dunkle Materie leichter nachweisbar zu machen.“

Die Herausforderung für ein passendes Modell: Wenn die Dunkle Materie zu stark mit normaler Materie wechselwirkt, wäre ihre (genau bekannte) Menge, die sich im frühen Universum gebildet hat, zu klein und würde astrophysikalischen Beobachtungen widersprechen. Wenn Dunkle Materie jedoch in der richtigen Menge produziert würde, wäre die Wechselwirkung umgekehrt zu schwach, um sie in heutigen Experimenten nachweisen zu können.

„Unsere zentrale Idee, die dem HYPER Modell zugrunde liegt, ist, dass sich die Wechselwirkung einmalig sprunghaft ändert – so haben wir das Beste aus beiden Welten: die richtige Menge an Dunkler Materie und eine große Wechselwirkung, so dass wir sie nachweisen können“, erläutert Robert McGehee. Und das stellen sich die Forschenden so vor: In der Teilchenphysik wird eine Wechselwirkung in der Regel über ein bestimmtes Teilchen, einen so genannten Mediator, vermittelt – so auch die Wechselwirkung von Dunkler Materie mit normaler Materie. Sowohl die Entstehung der Dunklen Materie als auch deren Detektion funktionieren über diesen Mediator, wobei die Stärke der Wechselwirkung von dessen Masse abhängt: Je größer die Masse, desto schwächer die Wechselwirkung.

Dabei muss der Mediator zunächst schwer genug sein, damit sich die korrekte Menge an Dunkler Materie bilden kann und später leicht genug, damit Dunkle Materie überhaupt nachweisbar ist. Die Lösung: Es gab nach der Entstehung der Dunklen Materie einen Phasenübergang, bei dem sich die Masse des Mediators plötzlich verkleinerte. „So wird einerseits die Masse an Dunkler Materie konstant gehalten und anderseits die Wechselwirkung derart geboostet oder verstärkt, dass Dunkle Materie direkt nachweisbar sein sollte“, berichtet Aaron Pierce.

Neues Modell deckt fast den kompletten Parameterbereich geplanter Experimente ab
Mehr noch: „Das HYPER Modell der Dunklen Materie ist in der Lage beinahe den gesamten Bereich, den die neuen Experimente zugänglich machen, abzudecken“, ergänzt Gilly Elor.

Konkret hat sich das Forscherteam zunächst überlegt, wie groß die durch den Mediator vermittelte Wechselwirkung mit den Protonen und Neutronen eines Atomkerns maximal sein kann, um im Einklang mit astrophysikalischen Beobachtungen und bestimmten teilchenphysikalischen Zerfällen zu stehen. Im nächsten Schritt galt es zu überlegen, ob es ein Modell für Dunkle Materie gibt, das diese Wechselwirkung aufweist. „Und hier kam uns die Idee des Phasenübergangs“, beschreiben die Autoren im aktuellen Artikel. „Wir haben dann die Menge an Dunkler Materie berechnet, die es im Universum gibt, und anschließend den Phasenübergang mit unseren Rechnungen simuliert.“ Dabei gibt es sehr viele Rahmenbedingungen zu beachten, zum Beispiel eine konstante Menge an Dunkler Materie. „Hier müssen wir systematisch sehr viele Szenarien bedenken und einbeziehen, zum Beispiel die Frage stellen, ob wirklich sicher ist, dass unser Mediator nicht doch plötzlich zur Bildung neuer Dunkler Materie führt, was natürlich nicht sein darf“, so Gilly Elor. „Aber am Ende konnten wir uns davon überzeugen, dass unser HYPER Modell funktioniert!“

Veröffentlichung:
Gilly Elor, Robert McGehee, Aaron Pierce, Maximizing Direct Detection with Highly Interactive Particle Relic Dark Matter, Phys. Rev. Lett. 130, 031803, 20. Januar 2023
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.031803
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.031803

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• Dunkle Materie

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Quelle: Deutsches Zentrum für Satelliten-Kommunikation e.V..

Backnang, 29. Mai 2019: Über 200 Gäste haben sich im Backnanger Bürgerhaus im Walter-Baumgärtner-Saal für den Vortrag „12 Monate auf dem simulierten Mars – ein Erfahrungsbericht“ mit Geophysikerin Dr. Christiane Heinicke interessiert. Der Informationsabend wurde im Rahmen der sogenannten DeSK-Impulse bereits zum siebten Mal vom Deutschen Zentrum für Satelliten-Kommunikation (DeSK) zu Themen rund um den Weltraum organisiert.

Die durchschnittliche Entfernung zwischen Erde und Mars beträgt ca. 150 Millionen Kilometer. Mit mindestens sechs Monaten Reisezeit ist ein Flug zum Mars ein ganz besonderer Langstreckenflug. Frau Dr. Heinicke erläuterte, dass als Aufenthaltsdauer auf dem Mars 30 Tage oder 1,5 Erdenjahre in Frage kommen würden für ein günstiges Zeitfenster zur Rückreise. Dabei müsse man beachten, dass für einen Tag im All quasi ein Tag Reha notwendig sei, d.h. bei solch einem Flug in die Ferne müsse sehr bewusst auf die Bewegung geachtet werden, denn die Schwerelosigkeit im All und die reduzierte Anziehungskraft auf dem Mars führe zum Muskelschwund.

Im Anschluss ging die Geophysikerin detailliert auf ihre Erfahrungen bei dem NASA-finanzierten Projekt „Hawaii Space Exploration Analog and Simulation“ (HI-SEAS) ein. Dabei simulierten sechs Teilnehmer ein Jahr lang auf Hawaii unter engsten Raumverhältnissen ein Leben auf dem Mars. Diese Simulationen, welche in der HI-SEAS-Station durchgeführt werden, dienen dazu, Probleme zu erkennen, bevor man auf die eigentlich Mission ins All aufbricht.

Die Referentin klärte in diesem Zusammenhang über ihre Erlebnisse ohne frische Luft, Tageslicht oder direkten Kontakt zur Außenwelt auf. Außerdem berichtete sie über die zwischenmenschlichen Herausforderungen sowie den Alltag in einer Kuppel von 11 Metern Durchmesser und 6 Metern Höhe. Neben den Gefahren durch eine feindliche Umgebung sind vor allem auch die psychologischen Gefahren innerhalb einer Gruppe nicht zu unterschätzen. Daher ist die Zusammenstellung einer solchen Crew – vor allem mit Blick auf die psychologischen Aspekte – eine große Herausforderung. Sie berichtete davon, wie drei selbst gezüchtete Tomaten im Team brüderlich geteilt und mit Hochgenuss in kleinen Häppchen verzehrt wurden. Das Experiment in Isolation zeigt somit, wie man sich an den alltäglichen Dingen des Lebens erfreuen kann.

Nach Beendigung ihrer Ausführungen konnte sich die Referentin vor den vielen Fragen aus dem Publikum kaum retten. Ein Teilnehmer wollte wissen, ob in diesem ‚Experimente-Jahr‘ Liebesbeziehungen hervorgegangen sind und falls ja, wie damit umgegangen wurde. Frau Dr. Heinicke erklärte, dass dieses Thema im Vorfeld tatsächlich innerhalb der Gruppe bereits angesprochen wurde, um ein Gefühl dafür zu bekommen, ob solch eine Situation gemeinsam durchgestanden werden könne. Tatsächlich gab es dann auch Beziehungen, aber das Team habe gemeinsam beschlossen, „nichts weiter dazu zu sagen“. Nachdem das Experiment erfolgreich durchgeführt wurde, hat die Gruppendynamik in diesem Fall wohl funktioniert.

Die Anekdote, dass eine herumliegende Kaffeetasse ebenfalls zu gewissen Konflikten geführt hat, zeigt dann wiederum, dass man sich wohl auch auf dem Mars mit ganz irdischen Problemen befassen muss. Im Anschluss an den faszinierenden Vortrag, nutzten viele der Teilnehmer im Rahmen des Get-togethers noch die Gelegenheit, persönliche Fragen zu stellen und in eine Diskussion mit der Referentin zu treten.

Die nächsten DeSK-Impulse sind voraussichtlich für den Sommer 2020 geplant.

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

Ziel des DeSK ist es, die Mitglieder zur Erweiterung der Geschäftsbeziehungen zusammenzuführen sowie zu einem schlagkräftigen Netzwerk zu bündeln und dabei Synergien zu erzeugen. Außerdem werden gemeinsame Aktivitäten zur Fachkräftegewinnung durchgeführt. Ferner obliegt dem DeSK der Betrieb eines Showrooms zum Thema ‚Satellitenkommunikation‘. Als Teil der Kompetenzzentren Initiative der Region Stuttgart wird das DeSK von der Wirtschaftsförderung Region Stuttgart GmbH (WRS) gefördert.

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Quelle: Universität Bern.

Gemäss den Gesetzen der Quantenphysik weisen Materie-Teilchen nicht nur die Eigenschaften von Teilchen, sondern auch diejenigen von Wellen auf. Dieser Welle-Teilchen-Dualismus wurde bereits 1924 vom französischen Physiker Louis de Broglie postuliert. Die Existenz des Wellenverhaltens von Materie (Materiewellen) wurde seither erfolgreich in verschiedenen Experimenten mit Elektronen und Neutronen sowie auch mit komplexerer Materie bis hin zu grossen Molekülen nachgewiesen. Auch bei Antimaterie-Teilchen kann der Welle-Teilchen-Dualismus nachgewiesen werden – dies gelang bereits mit sogenannten Beugungsexperimenten. Nun schafften es Forschende der internationalen QUPLAS-Kollaboration jedoch erstmals, Antimateriewellen auch anhand von einzelnen Positronen (Antiteilchen des Elektrons) mit einem sogenannten Interferenz-Experiment nachzuweisen. Die Ergebnisse wurden im renommierten Journal Science Advances publiziert.

Ein Experiment, das bereits Einstein umtrieb
Zur QUPLAS-Kollaboration gehören Forschende der Universität Bern und des Politecnico di Milano. Um den Welle-Teilchen-Dualismus von einzelnen Positronen nachzuweisen, führten sie ein Experiment durch, das dem sogenannten Doppelspalt-Experiment ähnlich ist. Dieses hatten bereits berühmte Physiker wie Albert Einstein und Richard Feynman als Gedankenexperiment ins Spiel gebracht; es wird in der Quantenphysik oft verwendet, um das Wellenverhalten von Teilchen zu demonstrieren. Bei diesem Experiment werden Teilchen (in diesem Fall Positronen) von einer Quelle aus auf einen Detektor-Schirm geschossen. Dazwischen befindet sich eine Platte mit zwei oder mehreren Spalten, durch die die Teilchen hindurchfliegen können. Wenn sich die Teilchen wie Teilchen verhalten, zeigt sich auf dem Schirm ein Muster aus Streifen, das der Anzahl Spalten entspricht. Wenn sich die Teilchen jedoch wie Wellen verhalten, zeigt sich auf dem Schirm ein sogenanntes Interferenzmuster, bestehend aus mehreren Streifen (mehr Streifen als Spalten). Dies kommt daher, weil sich die von der Quelle ausgehenden Wellen gegenseitig überlagern.

Auftreffpunkt auf dem Mikrometer genau
Den QUPLAS-Forschenden gelang es nun erstmals in einem solchen Experiment, ein Interferenzmuster von Antimateriewellen nachzuweisen. Sie nutzen dazu einen innovatives sogenanntes Talbot-Lau-Interferometer mit einer Kernemulsionsplatte als ortsempfindlichen Detektor für die auftreffenden Teilchen. «Mit der Kernemulsion konnten wir den Auftreffpunkt der einzelnen Positronen sehr exakt bestimmen und so das Interferenzmuster auf den Mikrometer – also den millionstel eines Meters – genau rekonstruieren», erklärt Dr. Ciro Pistillo vom Laboratory for High Energy Physics (LHEP) und Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC) der Universität Bern. Damit konnten die Forschenden zwei grosse Hindernisse von Antimaterieexperimenten überwinden: den geringen Antiteilchenfluss und die komplexe Manipulation der Antiteilchen-Strahlung.

Die Forschenden des LHEP und AEC spielten eine Schlüsselrolle für den Erfolg des Projekts: Akitaka Ariga, Antonio Ereditato, Ciro Pistillo und Paola Scampoli waren insbesondere für das Design, den Aufbau und den Betrieb des Emulsionsdetektors sowie für die Analyse der Auftreffpunkte der Positronen verantwortlich.

Neues Feld in der Antimaterieforschung
«Unsere Beobachtung der Ennergieabhängngigkeit des Interferenzmusters beweist eindeutig dessen quantenmechanischen Ursprung und somit das Wellenverhalten der Positronen », sagt Professorin Paola Scampoli. Der Erfolg des Experiments ebnet den Weg zu einem neuen Untersuchungsfeld auf der Grundlage von Antimaterie-Interferometrie. Ein Ziel dabei sind beispielweise Gravitationsmessungen mit exotischen Atomen wie Positronium, das aus einem Elektron und einem Antiteilchen (Positron) besteht. Damit könnte die Gültigkeit des sogenannten schwachen Äquivalenzprinzips für die Antimaterie überprüft werden. Dieses Prinzip ist die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie und wurde noch nie mit Antimaterie geprüft. Künftige Forschungsfelder auf Basis der Antimaterie-Interferometrie könnten einst Aufschluss liefern über das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie im Universum.

Originalpublikation:
S. Sala, A. Ariga, A. Ereditato, R. Ferragut, M. Giammarchi, M. Leone, C. Pistillo, P. Scampoli, First demonstration of antimatter wave interferometry. Sci. Adv. 5, eaav7610 (2019). DOI: 10.1126/sciadv.aav7610 Science Advances: First demonstration of antimatter wave interferometry

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Quelle: Technische Universität Wien, TU Wien Space Team.

Die Projektidee klingt beinahe unmöglich: Kann man röhrenförmige Messgeräte aus dem Weltraum abwerfen, die im freien Fall Messdaten sammeln und dann ganz von selbst, ohne Fallschirm, wohlbehalten zur Erde zurückkehren? Das Projekt Daedalus, ein Zusammenschluss von Studierenden der Universität Würzburg und des TU Wien Space Teams, hat nun bewiesen: Ja, das lässt sich machen.

Eigentlich wäre das Experiment schon vor einem Jahr geplant gewesen, damals gab es allerdings unerwartete Probleme mit der deutsch-schwedischen Trägerrakete. Am 4. März konnte der Raketenstart mit den Messgeräten an Bord endlich nachgeholt werden. Nun, nachdem die Daten ausgewertet sind, zeigt sich: Das Projekt war ein voller Erfolg.

Das Space Team der TU Wien ist ein Studierenden-Verein, der in den letzten Jahren immer wieder aufwändige Weltraumprojekte durchgeführt hat – von der Entwicklung eigener Raketen bis zum Start eines Mini-Satelliten.

Daten sammeln in höheren Atmosphäreschichten
Das Ziel war, ein Gerät zu entwickeln, mit dem man günstig und einfach meteorologische Daten sammeln kann. Die Höhe von etwa 70–80 Kilometern ist besonders interessant: Für Wetterballons, die höchstens auf 30 bis 40 Kilometer aufsteigen können, ist das bereits zu hoch, und mit Satelliten lässt sich dieser Bereich der Atmosphäre nur schlecht erfassen.

Die Grundidee für das neuartige Messgerät erinnert an Ahornsamen, die durch ihre langen Flügel ganz langsam und sanft zu Boden sinken. Auch die drei röhrenförmigen Sonden des Daedalus-Projekts sind mit Flügeln ausgestattet, die ihren Fall bremsen.

In den Weltraum befördert wurden die Sonden im Rahmen von „REXUS/BEXUS“, einer Kooperation des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt mit dem Swedish National Space Board und der ESA. In einem unbesiedelten Gebiet in Schweden werden im Rahmen von „REXUS/BEXUS“ Raketen gestartet, die von Studierenden entwickelte Instrumente in eine Höhe von 70 bis 80 km transportieren.

Großer Erfolg
„Nach dem Auswerten der Daten können wir nun sagen, dass unser Experiment plangemäß verlaufen ist“, berichtet Christoph Fröhlich, Präsident des Space Teams. 130 Sekunden lang stieg die Rakete auf, dann wurden die drei Sonden in einer Höhe von 75 km plangemäß ausgeworfen.

Im freien Fall wurden sie auf 800 Meter pro Sekunde beschleunigt, bevor sie nach dem Wiedereintritt in die Atmosphäre abgebremst wurden. Bei der Landung hatten sie noch eine Geschwindigkeit von etwa 25 m/s. Mit Hilfe von Satellitenkommunikationsmodulen meldeten die Sonden dann ihren Aufenthaltsort, per Hubschrauber konnten alle drei schließlich geborgen werden – etwa 33 km von der Startrampe entfernt.

„Bis auf einige Flügel, die vermutlich durch Kontakt mit Bäumen bei der Landung abgebrochen sind, blieben die Sonden unversehrt“, sagt Christoph Fröhlich. Entscheidend für das Team war die Frage, ob der Ahornsamen-artige Bremsmechanismus korrekt funktioniert hat. „Wir konnten nun die Sensordaten auswerten, dazu gehören die Sinkgeschwindigkeiten und die Drehgeschwindigkeit der Sonden. Sie zeigen, dass die Sonden wie geplant in einer stabilen Rotation abgebremst wurden. Sie sind also nicht bloß wie ein Stein nach unten gefallen, und es kam auch nicht zu unkontrolliertem Trudeln.“

Das bedeutet, dass die im Rahmen des Daedalus-Projekts entwickelte Technologie funktioniert und sich für Atmosphärenexperimente bestens eignet. „Diesmal ging es uns darum, die Methode zu demonstrieren, in Zukunft wollen wir auch wissenschaftliche Experimente in der Atmosphäre durchführen“, sagt Christoph Fröhlich. Eine Nachfolgemission ist bereits geplant.

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: DLR, ESA.

Nur noch wenige Tage, dann wird die von der europäischen Weltraumagentur ESA betriebene Raumsonde Rosetta nach einem mehr als zehnjährigen Flug durch unser Sonnensystem am 6. August 2014 in einen Orbit um den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko eintreten und diesen anschließend bis voraussichtlich zum Ende des Jahres 2015 auf seinem weiteren Weg in das innere Sonnensystem ‚begleiten‘ und dabei mit einer Vielzahl von Instrumenten untersuchen.

Im Rahmen ihrer Annäherung an 67P/Tschurjumow-Gerasimenko (der Einfachheit halber ab hier als „67P“ abgekürzt) soll Rosetta am morgigen Sonntag ein weiteres Kurskorrekturmanöver (engl. „Orbit Correction Manoeuvre“, kurz „OCM“) absolvieren, in dessen Rahmen die Annäherungsgeschwindigkeit an den Kometen auf einen Wert von dann nur noch etwa einen Meter pro Sekunde reduziert werden soll.

Allerdings beginnt die Raumsonde Rosetta nicht erst nach dem Erreichen des Orbits um 67P mit der Untersuchung ihres Ziels. Bereits Anfang Juni 2014 konnten die an der Mission beteiligten Wissenschaftler mit dem MIRO-Experiment – einem der elf Instrumente an Bord der Kometensonde – nachweisen, dass 67P Wasserdampf freisetzt.

Jetzt konnte mit einem weiteren Instrument, dem im visuell-infraroten Wellenlängenbereich arbeitenden Spektrometer VIRTIS, auch erstmals die Temperatur auf der Kometenoberfläche ermittelt werden. Die durchschnittliche Oberflächentemperatur auf 67P erreicht demzufolge einen Wert von minus 70 Grad Celsius.

Minus 70 Grad Celsius
„Bei dieser Temperatur ist die Oberfläche des Kometen nicht vollständig mit einer Eisschicht bedeckt, sondern mit einem dunklen, staubigen Material“, so Dr. Gabriele Arnold vom Institut für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin-Adlershof. Mit dem ermittelten Wert, so die Begründung, liegt die Temperatur um 20 bis 30 Grad über dem Wert, bei dem die Oberfläche eines Kometen komplett mit Eis bedeckt wäre. Die Wissenschaftler des VIRTIS-Teams gehen deshalb davon aus, dass die Oberfläche von 67P zu einem großen Teil mit einer Kruste aus verhältnismäßig dunklem Staub überzogen ist, welche von dem Sonnenlicht erwärmt wird. Diese Wärmeenergie wird anschließend wieder im infraroten Wellenlängenbereich ins Weltall abstrahlt.

Die entsprechenden Messungen von VIRTIS erfolgten zwischen dem 13. und dem 21. Juli 2014. In diesem Zeitraum verringerte sich der Abstand zwischen Rosetta und dem Zielkometen von anfangs 14.000 Kilometern auf eine Distanz von schließlich nur noch etwas mehr als 5.000 Kilometern. Trotzdem bedeckte der Komet auch zum Ende der Messkampagne in den Aufnahmen von VIRTIS nur eine Fläche von lediglich wenigen Pixeln. Aus diesem Grund konnten bei diesen Messungen auch keine räumlich eng begrenzten Oberflächenregionen erfasst werden, weshalb die gemessene Temperatur lediglich einen Mittelwert für die gesamte Kometenoberfläche repräsentiert. Vereinzelte Gebiete könnten laut der Meinung der Wissenschaftler durchaus noch tiefere Temperaturen aufweisen und dabei auch weiträumiger mit Eis bedeckt sein.

Geringere Entfernung bedeutet bessere Daten
„Mit der weiteren Annäherung der Rosetta-Sonde an den Kometen werden von nun an kontinuierlich räumlich immer höher aufgelöste Bilder und die entsprechenden Spektren aufgezeichnet“, so Dr. Gabriele Arnold weiter. Diese Daten werden es den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern ermöglichen, die Feinstruktur der Oberfläche des Kometenkerns, dessen chemische und mineralogische Zusammensetzung sowie verschiedene physikalische Parameter wie Temperatur und thermische Trägheit des Oberflächenmaterials zu untersuchen.
Derzeit befindet sich 67P noch in einer Entfernung von rund 543 Millionen Kilometer zu der Sonne und ist dementsprechend noch relativ ‚inaktiv‘. Rosetta wird den Kometen jedoch in den nächsten Monaten auf seinem weiteren Weg in das innere Sonnensystem begleiten. Aufgrund der somit kontinuierlich steigenden Temperaturen werden dabei auch in einem zunehmenden Umfang die leichtflüchtigen Bestandteile des Kometenkerns sublimieren und mit Geschwindigkeiten von bis zu einigen hundert Metern in der Sekunde in das umgebende Weltall entweichen. Dabei reißen diese freigesetzten Gase regelrechte Fontänen aus Staub mit sich. Diese Teilchen formen zunächst eine Koma, welche den Kometenkern vollständig einhüllt. Aus dieser Kometenkoma entwickelt sich aufgrund des von der Sonne ausgehenden Strahlungsdrucks anschließend auch der „Schweif“, welcher den Kometen ihr charakteristisches Aussehen verleiht.

Dieser Prozess soll unter anderem mit dem VIRTIS-Instrument verfolgt und untersucht werden. Zu diesem Zweck wird das Instrument die Zusammensetzung des Kerns und die täglichen Veränderungen der Oberflächentemperatur in ausgewählten Regionen messen. Die dabei gewonnenen Daten werden es den Kometenforschern ermöglichen, den Aufbau von 67P und die dabei ablaufenden Prozesse besser zu verstehen. VIRTIS wird dabei auch detaillierte Informationen über die thermalen Bedingungen und die Struktur von potentiellen Landeplätzen für den Kometenlander Philae liefern und in Zusammenarbeit mit den anderen Instrumenten der Raumsonde dabei helfen, den optimalsten Landeplatz auszuwählen.

Der von Rosetta mitgeführten Kometenlander Philae soll nach dem derzeitigen Planungsstand im November 2014 die Oberfläche von 67P erreichen und diese anschließend mit weiteren zehn Instrumenten untersuchen.

Aktuelle Aufnahmen
Während der letzten Tag hat die ESA in täglichen Abständen Aufnahmen der Navigationskamera von Rosetta, veröffentlicht, welche dabei aufgrund der sich stetig verkürzenden Distanz zu dem Ziel eine immer höhere Auflösung erreichten. Allerdings wurde von der Navigationskamera bis zum letzten Donnerstag pro Tag lediglich eine Aufnahme angefertigt – und diese in Abständen von typischerweise jeweils 24 Stunden. Da 67P für eine vollständige Rotation 12,4 Stunden benötigt, wurde dabei gezwungenermaßen mehr oder weniger immer die gleiche Region der Kometenfläche abgebildet.
In den kommenden Wochen wird diese – wie der Name bereits verrät – ausschließlich für die Navigation von Rosetta gedachte Kamera den Kometen allerdings auch in kürzeren Abständen abbilden. Dadurch werden sich dann auch Ansichten ergeben, welche unterschiedliche Bereiche der Oberfläche zeigen. Eine solche ‚veränderte Sicht‘ sehen Sie in dem Foto am Anfang diese Berichtes, welches am 1. August aus einer Entfernung von 1.026 Kilometern zu dem Kometen angefertigt wurde.

Aus den bisher von der ESA veröffentlichten Aufnahmen der Navigationskamera, welche den Anflug auf 67P dokumentieren, hat Stefan Gotthold eine Animation erstellt. Diese finden Sie auf dieser Internetseite.

In etwa aus der gleichen Distanz fertigte die Telekamera des OSIRIS-Instruments – bei der OSIRIS-Kamera handelt es sich um die vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen entwickelte und betriebene Hauptkamera an Bord von Rosetta – ebenfalls ein Foto von 67P an, welches dabei deutlich mehr Details enthüllt als die vergleichbare Aufnahme der Navigationskamera.

Weitere Aufnahmen der Kameras von Rosetta können Sie in der Rosetta-Bildgalerie sowie im Rosetta-Blog der ESA einsehen und auf Ihren Computer herunterladen. Und vielleicht möchten Sie sich auch selbst an einer Nachbearbeitung dieser Aufnahmen versuchen?

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• Mission Rosetta
• Kometen

Verwandte Seiten bei Raumfahrer.net:

• Rosetta-Sonderseite
• Rosetta-Newsarchiv
• Kometen-Newsarchiv

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: Xinhua, Skyrocket, Raumcon.

Der Start fand gegen 3.12 Uhr MEZ vom Raumfahrtgelände in Jiuquan statt. Aufgabe des Raumfahrzeuges ist die Fernerkundung der Erde mit experimenteller Technologie. Dazu wurde Shiyan 5 (Experiment 5) in eine sonnensynchrone Erdumlaufbahn zwischen 739 und 755 Kilometern Höhe bei einer Bahnneigung von knapp 98 Grad gebracht.
Vorgängermissionen der vergleichsweise kleinen Satelliten wurden 2004, 2008 und 2011 in ähnliche Umlaufbahnen gestartet, Shiyan 7 wurde im Sommer dieses Jahres ins All gebracht.

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• Chinesische Trägerstarts ab 25.11.2013

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Ein Beitrag von Roland Rischer. Quelle: ESA Bulletin 153, ScienceDaily, ERR News. Vertont von Peter Rittinger.

Die Idee erinnert an ein Sonnensegel, nutzt aber nicht den Strahlungsdruck des Sonnenlichtes zur Fortbewegung, sondern die elektrischen Kräfte der geladenen Teilchen des Sonnenwindes. Sternförmig um eine Raumsonde ausgebrachte Kupferdrähte werden elektrisch aufgeladen und stoßen gleichgeladene Plasmateilchen ab. Die Sonde bekommt dadurch einen Impuls.

Mit ESTCube-1 soll die theoretisch erwartete Kraft erstmals im Experiment nachgewiesen werden. Der Satellit wird mit dem im April 2013 geplanten Start Vega VV02 ins All gebracht und soll dort einen etwa 10 Meter langen Draht ausbringen, der durch die Zentrifugalkräfte der sich drehenden Mini-Sonde straff gehalten wird. Der Draht wird dann positiv aufgeladen. Die Drehgeschwindigkeit von ESTCube-1 müsste sich verändern. Das Experiment wird im laufenden Jahr mit dem finnischen Satelliten Aalto-1 wiederholt. Dieser wird einen Draht von 100 Metern Länge mitführen.

Für zukünftige Anwendungen wird in zwei Richtungen gedacht. Außerhalb des irdischen Magnetfeldes herrscht ein schneller Sonnenwind. Hier könnten künftige Satelliten mit Hilfe eines E-Sail nahezu kostenlos durch das Sonnensystem segeln. Dabei muss man in großen Dimensionen denken. Bis zu 100 Drähte von 20 km Länge sind für ein vollwertiges Segel notwendig.

Im erdnahen Bereich und seinem abgeschwächten Sonnenwind könnte man mit einem E-Sail ausgediente Satelliten abbremsen und zu einem kontrollierten Absturz bringen. Diese Art der Weltraummüllvermeidung wird auch mit konventionellen Sonnensegeln getestet und wäre einfacher und günstiger als die bislang für diesen Zweck notwendige Treibstoffbevorratung. Die Nutzungsdauer der Satelliten wäre länger. Für Nano-Satelliten wäre die Anwendung ideal. Nach Abschluss der Messungen wird man das auch mit ESTCube-1 versuchen zu demonstrieren.

Mit drahtgebundenen Experimenten hatte die Raumfahrt bislang wenig Glück. Häufig rissen die Drähte oder ihre Ausbringung schlug fehl. Aus diesen Erfahrungen will man gelernt haben. Das bislang größte technische Problem war die Herstellung eines Strangs aus 25 bis 50 Mikrometer dünnen Einzelfäden. Diese werden im Zentimeterabstand ultraschall-verschweißt. Ein Einzeldraht würde durch Beschuss von Mikrometeoriten schnell zerstört, für derartige Stränge werden die Überlebenschancen erheblich besser eingeschätzt.

Die theoretischen Überlegungen zum E-Sail gehen auf den Finnen Dr. Pekka Janhunen zurück, der das Konzept bereits 2006 am finnischen Weltraumzentrum in Helsinki entwickelte. Heute sind neun Institute in fünf EU-Länder an der Forschung beteiligt. Für Estland ist es zugleich eine Empfehlung für den Beitritt zur ESA.

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• Konzepte und Perspektiven

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA, CSA.

Das entsprechende Equipment war beim letzten Shuttle-Flug STS 135 im Sommer 2011 zur ISS gebracht worden. Es besteht im Wesentlichen aus einer quaderförmigen Apparatur mit Einfüllstutzen, die mit Muttern, Kappen und Sicherungsdrähten versehen sind. Außerdem sind auch die erforderlichen Spezialwerkzeuge Bestandteile der Robotic Refueling Mission (RRM).

Für die Operationen wurde die am Ende des Stationsmanipulators angebrachte Erweiterung DEXTRE (Special Purpose Dexterous Manipulator) verwendet, was etwa Spezialmanipulator für Geschicklichkeit erfordernde Aufgaben bedeutet. Er verfügt über zwei Arme, an denen unterschiedliche Werkzeuge angebracht werden können. Diese trägt er normalerweise in einer dafür vorgesehenen Vorrichtung bei sich. Die für die Betankungssimulation erforderlichen Tools wurden allerdings nur für diese Aufgabe konstruiert und zur Station gebracht.

Am 14. Januar begann das Experiment, musste allerdings aufgrund eines Software-Problem gleich wieder abgebrochen werden. Nachdem dieses behoben war, nahm Dextre die Aufgabe ein paar Tage später erneut in Angriff. Alle Kommandos kamen dabei von der Erde, die ISS-Besatzung war also in das Experiment nicht direkt involviert. Dies entspricht auch dem Ziel der Mission. Mit einem derartigen unbemannten System sollen in Zukunft Satelliten in beliebigen Erdumlaufbahnen betankt werden können.

Am ersten Tag (14. Januar) entnahm Dextre der RRM ein Werkzeug, mit dem sich Sicherungsdrähte durchschneiden lassen. Damit wurde dann genau das gemacht, wofür das Werkzeug geschaffen wurde: ein Sicherungskabel wurde durchtrennt. Mit dem anderen Arm wurde zudem eine äußere Abdeckung, die als dritte Sicherung dient, abgezogen. Dazu „ergriff“ Dextre zuvor das ein Multifunktionswerkzeug. Am zweiten Tag (15. Januar) wurde diese Kappe verstaut und zur Behebung des Software-Problems eine Pause eingelegt.

Fortgesetzt wurde am 17. Januar mit dem Durchtrennen zweier weiterer Sicherungskabel und dem Verstauen der beiden Werkzeuge. Am 22. Januar wurde zunächst ein spezielles Tool an einem Arm angesteckt, mit dem Abdeckkappen von einem Nachfüllstutzen entfernt und in einem speziellen Behälter untergebracht werden können. Nach einem Test wurde die zweite Sicherungskappe abgezogen und anschließend das Werkzeug wieder verstaut.

Am 23. Januar wurde nun das Nachfüllwerkzeug ausgewählt und montiert. Außerdem benutzte Dextre seinen zweiten Arm dazu, sich an der Struktur festzuhalten. Mit dem Nachfüllwerkzeug, das in der Lage ist, eine Ventilmutter zu lockern und durch einen innenliegenden Schlauch Äthanol in den Tank der RRM zu füllen, wurden am 24. und 25. Januar die letzten Arbeiten durchgeführt. Anschließend wurde die Ventilmutter wieder festgezogen, ein Schnellverschluss übergestülpt und das Werkzeug wieder an seinen Platz gebracht.

Damit war das Experiment mit einer kleinen Verzögerung erfolgreich abgeschlossen worden. Beteiligt waren Techniker der NASA und der kanadischen Weltraumagentur CSA. Die auszuführenden Kommandos kamen vom Marshall Space Flight Center in Huntsville (USA).

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: Cornell University Cronicle Online.

Zunächst bleiben sie aber gebunden und dürfen noch nicht frei im All herumschwirren. Drei ChipSats mit Abmessungen von etwa 3 x 3 cm bei einer Dicke von etwa 1 mm sind auf einem neuen Materialexperiment untergebracht: MISSE 8. MISSE steht für Materials International Space Station Experiment und wird bei einem Ausstieg im Verlauf der Shuttle-Mission STS 134 an der Außenhaut der Station montiert. Hier werden die drei Chips zusammen mit weiteren Materialproben den Umweltbedingungen des Weltalls ausgesetzt: Strahlung, Temperaturschwankungen um 250 Grad, Schwerelosigkeit und evtl. sogar Mikrometeoritentreffern.

In einigen Jahren soll das Experiment geborgen und die Proben zur Erde zurückgebracht werden. Hier wird dann gründlich untersucht, ob die Mini-Explorer den Bedingungen standgehalten haben, welche Alterungserscheinungen im Trägermaterial sowie in den Funktionseinheiten aufgetreten sind und ob derartige Sensoren für zukünftige Missionen geeignet sind.

Die kleinen ChipSats wurden im Verlaufe der letzten 3 Jahre an der Cornell University unter der Leitung von Professor Mason Peck entwickelt. Sie könnten eine vollkommen neue Klasse von Satelliten bilden, die sich noch einmal vollkommen anders verhält als bisherige Kleinsatelliten.

„Ihre geringe Größe erlaubt ihnen, wie Staub durch das All zu treiben“, sagt Peck. „Getrieben vom Sonnenwind können sie ohne Treibstoff zu entfernten Zielen segeln … Wir versuchen gegenwärtig, von Grund auf neue Fähigkeiten zu schaffen … Wir möchten lernen, wo das absolute Minimum für Kommunikation im All liegt.“

Raumcon:

• STS-134-Thread ab 28. April 2011

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Autor: Daniel Maurat

Das Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) (Alpha-Magnet-Spektrometer) ist das größte Experiment der Internationalen Raumstation ISS. Es ist ein Teilchendetektor, mit dem kosmische Strahlung, Dunkle Materie und Antimaterie erforscht werden sollen.

Entwicklung und Bau

Die Geschichte des AMS begann im Jahr 1998, als die Shuttle-Mission STS 91 zum letzten Mal zur russischen Raumstation Mir flog. In der Ladebucht war neben einem Modul mit Nachschub auch der Teilchendetektor AMS 1. Man plante, ein größeres Modell, AMS 2 zur zu dem Zeitpunkt kurz vor dem Baubeginn stehenden Internationalen Raumsation ISS zu bringen. Die Entwicklung dafür wurde in Forschungsinstituten von 16 Nationen in enger Zusammenarbeit mit der NASA durchgeführt. Durch das Columbia-Unglück schien es jedoch so, dass alle Hoffnungen verloren waren, das Experiment jemals starten zu können. Die NASA strich es aus dem Flugmanifest.

Die Lage für das AMS verbesserte sich schlagartig 2009, als die NASA beschloss, eine weitere Shuttle-Mission nach der lange Zeit designierten letzten Shuttle-Mission STS 133 zu starten. Als Nutzlast war neben einer ELC-Palette mit Ersatzteilen auch das AMS geplant.

Gebaut wurde es schließlich im europäischen Teilchenlabor CERN in Genf, Schweiz. Doch es gab in der Entwicklung immer wieder Probleme und Änderungen der Konstruktion, weswegen man den Start nach hinten verschob. Im September 2010 war das AMS fertiggestellt, getestet und wurde zum Kennedy Space Center in Cape Canaveral, Florida, gebracht, wo es in der SSPF auf seinen Start weiter vorbereitet wurde.

Aufbau

Das AMS ist eigentlich ein großer Magnet mit verschiedenen Detektoren. Der Magnet ist dazu da, die zu untersuchenden elektrisch geladenen Teilchen zu den fünf Detektoren zu lenken. Zunächst hatte man einen supraleitenden Elektromagneten eingebaut, der mit flüssigem Helium auf 1,8 K (-271,4 °C) heruntergekühlt werden sollte. Dies hat zur Folge, dass der Magnet so gut wie keinen elektrischen Widerstand hat, die Funktionsdauer wäre aber vom Heliumvorrat abhängig, der nach wenigen Jahren aufgebraucht wäre. Da man aber die ISS bis über das Jahr 2020 hinaus benutzen wollte, nahm man schließlich einen „normalen“ Magneten, der die Lebensdauer des AMS auf 18 Jahre verlängern kann. Dieser generiert ein Magnetfeld von 0,86 Tesla. Zum Vergleich: das Erdmagnetfeld ist in Deutschland nur 0,000.048 Tesla stark.

Im Inneren des ringförmigen Magneten befinden sich Silizium-Streifendetektoren, die beidseitig den Durchgang einzelner Teilchen vermessen. Als Instrumente besitzt das AMS ein Massenspektrometer, das die Teilchen ablenkt und mittels der Stärke ihrer Ablenkung berechnen kann, um welches Teilchen es sich handelt. Weitere Instrumente, welche die Teilchen analysieren, sind (von oben nach unten im AMS angeordnet) ein Übergangsstrahlungsdetektor (TRD, Bestimmung des Teilchens), ein Ring-Image-Tscherenkow-Zähler (RICH, zur Messung des Tscherenkow-Lichts) und ein elektromagnetisches Kalorimeter (ECAL, Messung der Energie eines einzelnen Teilchens). Es verfügt darüber hinaus auch über je einen GPS- und Sternsensor, um seine Lage im Raum und damit auch den Ursprung der untersuchten Teilchen zu analysieren. Da das AMS im Betrieb sehr viel Wärme produziert, verfügt es auch über eigene Radiatoren. Es wurde am 19. Mai 2011 am Gitterelement S3 der Integrated Truss Structure am Kopplungspunkt Zenit montiert.

Das Ziel des AMS-Projektes ist es, mit diesen Instrumenten nach Antimaterie zu suchen, da nach einigen Modellen beim Urknall neben normaler auch Antimaterie entstand. Je nachdem, was man für Antiteilchen nachweist, kann man sogar Sterne aus Antimaterie beweisen. Eine weitere Aufgabe wird sein, die Energiespektren von schweren Kernen bis zum Eisen zu vermessen. Dies ist notwendig, um die Ausbreitungsmechanismen geladener Teilchen in der Milchstraße zu verstehen und damit auch nach Annihilationsprodukten der Dunklen Materie zu suchen. Ein drittes Forschungsfeld konzentriert sich auf Anomalien in den Energiespektren von Positronen (Antielektronen), Antiprotonen und Photonen, was die Kaluza-Klein-Theorie vorhersagt.

Im Orbit

AMS startete im Rahmen der Shuttle-Mission STS 134 des Space Shuttles Endeavour (dem letzen Start dieses Shuttles) am 16. Mai 2011. Am 19. Mai wurde AMS mithilfe des Stationsmanipulatorarms SSRMS/Canadarm 2 zum ITS transportiert und am Gitterelement S3 montiert. Danach hat man den Messkomplex an Energieversorgung und Datenleitungen angeschlossen, womit AMS Teil der ISS wurde. Bereits nach wenigen Stunden wurden erste Messdaten empfangen.

Verwandte Artikel:

• Mission ISS-AF-ULF-6 (Mission STS-134 der Endeavour)
• Modul ITS

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Ein Beitrag von Ralf Möllenbeck. Quelle: BBC, NASA, ESA. Vertont von Peter Rittinger.

Professor Charles Cockell von der Open University in Milton Keynes (England) berichtet über eine Bakterienart, welche es schaffte, mehr als ein Jahr im Weltraum zu überleben. Diese Bakterien stammen aus dem kleinen Fischerdorf Beer im Süden von England. Dort sind sie Bestandteil der Klippen nahe dem englischen Fischerdorf und reisten in Gesteinsbrocken im Februar 2008 mit dem Space Shuttle Atlantis zur ISS. Diese Proben waren Teil des von der ESA betreuten Experimententräger (EuTEF = European Technology Exposure Facility) an der Außenseite des Columbus-Forschungsmoduls.

Diese Bakterien wurden ausgewählt, um zu untersuchen, wie sie sich in der lebensfeindlichen Umgebung verhalten. Sie waren ultraviolettem Licht, kosmischen Strahlen und extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Das Experiment ist Teil einer Suche nach Mikroben, welche Astronauten auf zukünftigen Missionen bei der Erforschung unseres Sonnensystems nützlich wären. Sie könnten in Lebenserhaltungssystemen und bei der Gewinnung von Mineralien aus Felsgestein, unter anderem in Basen auf Mond und Mars, zum Einsatz kommen. Im September 2009 wurde der Experimententräger EuTEF mit dem Space Shuttle Discovery zur Erde zurück transportiert.

Hier stellten Wissenschaftler fest, dass viele der Mikroben überlebt hatten. Diese, nun als OU-20 bezeichnet, werden zur Zeit in einem Laboratorium an der Open University (OU) in Milton Keynes eingehend untersucht. Es wird vermutet, dass eine dicke Zellwand die Mikroben so widerstandsfähig macht. Weiter bilden sie Zellkolonien, bei denen die innenliegenden von den äußeren Mikroben vor den widrigen Umgebungseinfüssen, wie UV-Strahlung und Austrocknung, geschützt werden. Bakteriensporen sind dafür bekannt, mehrere Jahre in der Umlaufbahn zu überstehen. Diese Zellen aber haben am längsten von allen Cyanobakterien oder photosynthetisierenden Mikroben im Weltraum überlebt. Sie haben Verwandte in der Antarktis und in heißen Wüsten, diesen werden gute DNA-Reparaturprozesse nachgesagt.

Diese anderthalbjährige Exkursion der Bakterien in den Weltraum war nicht die erste ihrer Art. Eine Probe des Klippenmaterials von Beer reiste ein Jahr zuvor für zehn Tage auf einer russischen Rakete ins All. Bei diesem Biopan-6-Experiment im Rahmen der FOTON-M3-Mission waren Bärtierchen mit an Bord. Diese winzigen wirbellosen Tiere halten den Rekord für die am längsten überlebenden Tiere im offenen Raum.

Raumcon:

• **ISS** Forschung & Forschungseinrichtungen

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA, Roskosmos, Raumcon.

Zu denen gehört das Anbringen einer Antenne für das Annäherungssystem Kurs sowie eines optischen Kopplungsziels. Dies wurde von Oleg Kotow und Maxim Surajew am 14. Januar 2010 bei einem fünfeinhalbstündigen Außenbordeinsatz erledigt. Der Ausstieg begann mit dem Öffnen der Ausstiegsluke im Modul Pirs gegen 11:10 Uhr MEZ und endete nach 5 Stunden und 28 Minuten.

Außerdem wurde planmäßig ein außen angebrachtes Experiment geborgen, mit dem die Auswirkungen kosmischer Strahlung auf biologische Substanzen und Organismen untersucht werden. Die Proben werden später zur genaueren Untersuchung zur Erde zurückgebracht.

Für Oleg Kotow war dies der dritte Ausstieg seiner Laufbahn, für Surajew der erste. Beide trugen die neuen Orlan-MK-Raumanzüge.

Raumcon:

• ISS-Hauptthema ab 14. Januar

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Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: Ahmed et al. (2009), Kosmologs, New Scientist, Drillingsraum.de. Vertont von Peter Rittinger.

In ihrem Experiment im Soudan Underground Laboratory zeigten Forscher aus den USA, Kanada und der Schweiz, dass Wechselwirkungen zwischen Dunkler Materie und Atomkernen messbar sind. Sie berichteten am 17. Dezember zeitgleich auf mehreren Vorträgen sowie in einer Veröffentlichung von ihren Ergebnissen.

Im Berg ist es dunkel

Es ist eines der Grundgesetze der modernen Physik: Je kleiner das zu untersuchende Phänomen, umso größer der erforderliche technische Aufwand. Davon können die Physiker um Z. Ahmed am Experiment Cryogenic Dark Matter Search (CDMS II) ein Lied singen. Sie mussten rund 800 Meter unter die Erde gehen. Hier suchen sie nach den unscheinbarsten und scheusten Mitgliedern des Teilchenzoos. Viele natürliche Prozesse erzeugen Störeffekte, denen man zu entkommen versucht. Das Gestein schirmt das Experiment vor kosmischer Strahlung ab. Durch radioaktive Zerfälle erzeugt es selbst einen Strahlungshintergrund, vor dem man sich erneut gut abschirmen muss.

Blickt man hinter den aufwendigen Schutzmantel, steht man vor dem Kryostaten: Platten aus abwechselnd hochreinem Silizium und Germanium werden auf 40 Millikelvin gekühlt, vierzig Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Wären die Kristalle zu warm, würden die Atome hin und her schwingen. Hier aber sollen sie von Dunkler Materie in Schwingung versetzt werden, um damit ein fundamentales Problem der Astrophysik zu erklären.

Eine Masse, die alles zusammenhält
In den 1930er Jahren entdeckten Astronomen, dass Galaxienhaufen nicht durch ihre eigene Masse zusammengehalten werden können. Andere Unstimmigkeiten wurden in Galaxien beobachtet, deren Sterne sich zu schnell um ihr Massezentrum bewegten. Die logische Grundannahme der Wissenschaftler schien widerlegt, dass sich das Gros der Masse des Universums in den gut zu beobachtenden Sternen befindet. Auch nicht leuchtende Körper wie ausgebrannte Sterne, Planeten und Staubteilchen machen nur einen Bruchteil der Masse aus, die mit ihrer Gravitationswirkung die gewöhnliche Materie zusammen hält.

Was aber hält das Universum zusammen? Einen größeren Teil dürfte die Dunkle Materie auf die Waage bringen. Der Begriff (Nomen est omen) bezeichnet ein oder mehrere Teilchen, die kaum mit gewöhnlicher Materie wechselwirken, elektrisch neutral sind und zu den Schwergewichten des Teilchenzoos gehören. Physiker erwarten eine Ruhemasse von zwei Goldatomen. Der Spitzname WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) ist gleichsam diffus, wimp bedeutet auch Schwächling.
Ein scheues WIMP

„Das Wort WIMP ist zunächst mal ein generischer Name für ein schwach wechselwirkendes, schweres Teilchen“, erklärte Prof. Josef Jochum, Teilchenphysiker an der Universität Tübingen, in einem Interview mit Drillingsraum.de. „Das sagt für einen Physiker noch nichts über die Natur dieses Teilchens aus, es sind einfach die Eigenschaften, die es haben müsste, um die Dunkle Materie zu erklären. Es muss schwer sein, schwerer als die bisher bekannten elementaren Teilchen, und es darf maximal schwach wechselwirken.“ Auch die Physiker am CDMS-II-Experiment gehen davon aus, dass selbst Schwächlinge wie das WIMP ein bisschen interagieren können. Unter den vier Naturkräften, der elektromagnetischen, der starken und schwachen Kernkraft sowie der Gravitation kommt nur die schwache Kernkraft als Belastungszeuge infrage. Die schwache Kernkraft ist für Wechselwirkungen innerhalb des Atomkerns verantwortlich. Sie spielt immer dann eine Rolle, wenn verschiedenartige Kernbausteine miteinander interagieren. Dafür müssen sie sich dicht auf den Pelz rücken: Erst in den extrem dicht gepackten Atomkernen kann die schwache Kernkraft wirken.

Die Nadel im Heuhaufen
Wie bekommt man den Schwächling WIMP dicht an einen Atomkern heran? Nur mit Geduld. Massereiche WIMPs durchdringen uns und jede „normale“ Materie. Nur sehr selten stoßen sie mit einem Atomkern zusammen. In diesem Moment fängt der Kern an zu schwingen. Das lässt sich nur beobachten, wenn es gelingt, alle Störeffekte effektiv auszublenden oder herauszurechnen.

Für ihre Ergebnisse verarbeiteten Z. Ahmed und seine Kollegen Daten, die sie zwei Jahre lang gesammelt hatten. Theoretisch hätten in dieser Zeit 0,8 Stöße mit WIMPs detektiert werden müssen. Die Forscher entdeckten sogar zwei, also eigentlich zu viele. Das kann bedeuten, dass ihre Annahmen nicht stimmen oder einer der Treffer ein Fehlalarm ist. Vor allem sind zwei Messpunkte nicht wissenschaftlich relevant. Dies stellen die Forscher klar. Erst wenn sie eine ausreichende Zahl an Messdaten beisammen hätten, dürfe man sicher sein, das WIMP tatsächlich gefunden zu haben. Dafür wollen sie ihr Experiment zur SuperCDMS ausbauen, die ab Mitte 2010 dreimal genauer nach Stößen fahnden soll.

Bis es soweit ist, hofft das Forscherteam auf die Kollegen. Dabei schauen sie besonders zum Weltraumteleskop PAMELA, das galaktische Dunkle Materie im Visier hat, und nach Genf. Am erst im Dezember 2009 angefahrenen europäischen Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) könnten bei der Kollision von Protonen auch WIMPs entstehen.

Raumcon:

• Dunkle Materie
• PAMELA / Resurs-DK auf Sojous U

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: New Scientist, NASA.

Beide Radargeräte wurden im Auftrag der NASA entwickelt und gebaut. Mini-SAR startete im Oktober 2008 mit Chandrayaan 1 zum Mond und konnte bis zum Juni 2009 eine erste Messkampagne abschließen. Die Daten werden gegenwärtig noch ausgewertet. Mittlerweile ist aber auch das Mini-RF genannte Gerät auf der US-Mondsonde Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) kalibriert. Am 20. August befanden sich beide Mondorbiter in nur einigen Dutzend Kilometern Entfernung voneinander auf ähnlichen Bahnen. Hier sollten erstmals beide Geräte parallel eingesetzt werden. Damit würden sich die Chancen vergrößern, aus den Radarechos auf das Vorhandensein von Wassereis in niemals von der Sonne beschienenen Zonen tiefer Krater in Polargebieten des Erdtrabanten zu schließen.

Später analysierte Daten ergaben allerdings, dass Chandrayaan 1 offenbar falsch ausgerichtet war, die Radarwellen damit ihr Ziel verfehlten und nicht vom Mini-RF auf dem LRO aufgefangen werden konnten. Chandrayaan hatte nach dem Ausfall eines Sternsensors in den letzten Wochen Probleme mit der genauen Ausrichtung im All. Man war noch dabei, ein anderes Verfahren, bei dem man sich an der Sonne und an Messwerten der zur Lageregelung eingesetzten Drallräder (Gyroskope) orientierte, zu entwickeln bzw. zu verbessern. Am 28. August fiel allerdings der Satellit, wahrscheinlich aufgrund von Überhitzung, endgültig aus.

So ist nun LRO in dieser Beziehung auf sich allein gestellt. Hätte das Experiment geklappt, wäre es das Sahnehäubchen für die beteiligten Wissenschaftler gewesen. Mini-RF kann die Mondoberfläche in Streifen von 8 Kilometern Breite und 150 bis 300 Kilometern Länge mit einer Auflösung von 150 Metern bzw. 30 Metern per Radar abtasten. Die bessere Auflösung erreicht man, wenn LRO in eine Bahn mit einer Höhe von nur 50 Kilometern über der Mondoberfläche wechselt. Gegenwärtig operiert der Mondorbiter aber noch in etwa der doppelten Höhe.

Die Suche nach Wassereis auf dem Mond ist deshalb so wichtig, weil jedes Kilogramm, das man von der Erde mitbringen müsste, Transportkosten weit oberhalb von 10.000 US-Dollar verursacht. Würde man dagegen Wasser auf dem Mond finden, so bedeutete dies große Einsparungen. Wasser lässt sich nicht nur direkt für die Menschen nutzen. Daraus kann man auch Treibstoff für den Rückflug oder für weitere Expeditionen ins All gewinnen.

Raumcon:

• Chandrayaan 1 – indische Mondsonde
• Lunar Reconnaissance Orbiter

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