Quelle: Helmholtz-Zentrum Hereon 8. Mai 2023.

8. Mai 2023 – Einen attraktiven Zugang zu allen wichtigen Webseiten aus dem Helmholtz-Forschungsbereich „Erde und Umwelt“ schaffen – das ist das Ziel einer zentralen Landing Page, die von der Helmholtz-Gemeinschaft neu veröffentlicht wurde.

Helmholtz ist eine der größten Wissenschaftsorganisationen Europas. Entsprechend vielfältig sind die Informationen, die von der Gemeinschaft ihrer Forscher:innen im Internet veröffentlicht werden. Auch im Forschungsbereich (FB) „Erde und Umwelt“, einem der sechs Forschungsbereiche der Helmholtz-Gemeinschaft, ist dieses Angebot groß. Da wären beispielsweise die sieben Webseiten der beteiligten Helmholtz-Zentren mit ihren vielen Forschungs- und Projekt-Subsites, ihren Job- und Datenportalen, Expert:innendatenbanken, Mediatheken, Presseportalen, Social-Media-Kanälen, Veranstaltungskalendern, Transferaktivitäten, Apps und vielem mehr. Zum Webkosmos des FB „Erde und Umwelt“ gehören aber auch zahlreiche wissenschaftliche Initiativen, Zentren-übergreifende große Projekte oder Infrastrukturen und das gemeinsame Forschungsprogramm„Changing Earth – Sustaining our Future“.

Die Zugänge zu dieser eindrucksvollen Vielfalt digitaler Präsenzen mit all ihren Inhalten werden nun erstmals über eine zentrale Webseite gebündelt und erschlossen. Unter https://earthenvironment.helmholtz.de/changing-earth/program/ ist die neue Einstiegspforte in die faszinierende Welt der Helmholtz-Erdsystemforschung jetzt erreichbar. Als sogenannte „Progressive WebApp“ (PWA) programmiert, lässt sie sich über Ihren Internet-Browser auch ganz unkompliziert auf dem „Homescreen“ jüngerer Smartphones installieren.

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• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren

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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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Quelle: DESY.

Mit spezialisierten Gammastrahlen-Teleskopen haben Forscherinnen und Forscher überraschende Einblicke in die größten Teilchenbeschleuniger des Universums gewonnen: Die Beschleunigung in diesen sogenannten aktiven Galaxien ist demnach nicht auf die Umgebung ihres zentralen Schwarzen Lochs beschränkt, sondern erstreckt sich tausende von Lichtjahren aus der Galaxie hinaus in die sogenannten Plasma-Jets, die nach oben und unten weit ins All hinausschießen. Diese Beobachtung verändert das Verständnis davon, welche maximalen Energien durch die Beschleunigungsprozesse in den Jets erreicht werden können. Das internationale Team mit mehr als 200 Mitgliedern aus 13 Ländern stellt seine Messungen mit dem H.E.S.S.-Gammastrahlenobservatorium in Namibia im Fachblatt „Nature“ vor. An dieser Arbeit sind insbesondere das französische Forschungszentrum CNRS, das Max-Planck-Institut für Kernphysik und DESY in Deutschland sowie die Universität Innsbruck in Österreich beteiligt.

In den vergangenen Jahren hat die Beobachtung von Röntgen- und Gammastrahlen, also sehr energiereichen Lichtteilchen (Photonen), grundlegend neue Einblicke ins Universum ermöglicht. „Diese Photonen stammen aus Systemen wie den supermassereichen Schwarzen Löchern im Herzen bestimmter Galaxien, die sich Materie einverleiben“, erläutert H.E.S.S.-Wissenschaftler Andrew Taylor von DESY, einer der Hauptautoren der Publikation. „Dort werden Elektronen auf enorme Energien beschleunigt, die in von Menschen gebauten Maschinen unerreichbar sind.“ In diesen aktiven Galaxien ist das zentrale Schwarze Loch von einer sogenannten Akkretionsscheibe umgeben, in der sich Materie sammelt wie im Strudel eines Badewannenabflusses, bevor sie auf Nimmerwiedersehen hinabstürzt.

Ein kleiner Teil dieser Materie fällt jedoch nicht in das Schwarze Loch, sondern wird vorher abgezweigt und in Form zweier gigantischer Plasma-Jets senkrecht nach oben und unten weit aus der Galaxie hinaus in den Kosmos geschleudert.Die Intensität der von diesen Systemen emittierten Gammastrahlung kann über sehr kurze Zeiträume von bis zu einer Minute variieren, was auf einen sehr kleinräumigen Ursprung der Strahlung nahe dem zentralen Schwarzen Loch hindeutet. Darüber hinaus diskutieren Wissenschaftler den Ursprung der Röntgenemission der Jets, zu deren Erzeugung je nach Szenario eine extreme Beschleunigung von Elektronen nötig ist. Da beschleunigte Elektronen im Plasma-Jet jedoch schnell an Energie verlieren, müssen sie dort kontinuierlich beschleunigt werden, um entlang der gesamten Jets zu existieren.

Mit den Teleskopen des High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) beobachteten die Forscherinnen und Forscher die Radiogalaxie Centaurus A mehr als 200 Stunden lang mit unerreichter Auflösung im Gammastrahlenbereich. Radiogalaxien strahlen stark im Frequenzbereich der Radiowellen. „Als die der Erde am nächsten gelegene Radiogalaxie war Centaurus A für eine solche Untersuchung günstig, da sie uns ermöglichte, die Herkunftsregion der sehr hochenergetischen Strahlung entlang der Plasma-Jets zu identifizieren“, sagt der stellvertretende H.E.S.S.-Direktor Mathieu de Naurois vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich, ebenfalls einer der Hauptautoren der Publikation.

Auf der Grundlage detaillierter Analysen von Gruppen in Innsbruck und Paris konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass sich die Quelle der Gammastrahlung tatsächlich über mehrere tausend Lichtjahre erstreckt. Diese ausgedehnte Emission deutet darauf hin, dass die Teilchenbeschleunigung nicht nur in der Nähe des zentralen Schwarzen Lochs stattfindet, sondern auch über die gesamte Länge der Plasma-Jets, wie die beteiligten Gruppen in Heidelberg und Zeuthen bei Berlin dargelegt haben. Die größten Teilchenbeschleuniger im Kosmos sind also noch größer als angenommen.

Die Entdeckung deutet darauf hin, dass vermutlich viele Radiogalaxien mit ausgedehnten Jets Teilchen auf extreme Energien beschleunigen. Damit liefert die Beobachtung auch wichtige neue Informationen für die Debatte über den Ursprung der Röntgenemission. „Diese Entdeckung revolutioniert unser Verständnis der großräumigen Jets und bedeutet einen großen Schritt vorwärts für unser Verständnis der kosmischen Teilchenbeschleunigung insgesamt“, sagt Taylor. „Es ist sehr befriedigend zu sehen, dass sich langfristige Beobachtungsbemühungen wie diese auszahlen. Offensichtlich werden wir nach wie vor von unseren kosmischen Nachbarn überrascht, wenn wir sie anders beobachten.“

Die Ergebnisse dieser Studie erforderten umfangreiche Beobachtungen und optimierte Analysetechniken. Das Observatorium der nächsten Generation, das Cherenkov Telescope Array (CTA), wird eine noch genauere Beobachtung dieses Phänomen ermöglichen. Am H.E.S.S. International Observatory, das aus fünf Teleskopen in Namibia besteht, sind Institute aus dreizehn Ländern beteiligt (Frankreich, Deutschland, Namibia, Südafrika, Irland, Armenien, Polen, Australien, Österreich, Schweden, Grossbritannien, Niederlande und Japan).

Originalveröffentlichung:
Resolving acceleration to very high energies along the jet of Centaurus A; The H.E.S.S. Collaboration; „Nature“, 2020; Resolving acceleration to very high energies along the jet of Centaurus A

DESY zählt zu den weltweit führenden Teilchenbeschleuniger-Zentren und erforscht die Struktur und Funktion von Materie – vom Wechselspiel kleinster Elementarteilchen, dem Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe und lebenswichtiger Biomoleküle bis hin zu den großen Rätseln des Universums. Die Teilchenbeschleuniger und die Nachweisinstrumente, die DESY an seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen entwickelt und baut, sind einzigartige Werkzeuge für die Forschung: Sie erzeugen das stärkste Röntgenlicht der Welt, bringen Teilchen auf Rekordenergien und öffnen neue Fenster ins Universum. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

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• H.E.S.S. Teleskope

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Quelle: Kai Dürfeld.

Von außen betrachtet, sieht der Satellit Eu:CROPIS unspektakulär aus: eine Tonne, 100 Zentimeter im Durchmesser und 110 Zentimeter hoch, dazu vier Solarpaneele. Interessant wird es unter seiner silbrig glänzenden Haut: Dort finden in zwei Mini-Gewächshäusern Experimente statt, die für künftige Weltraummissionen eine entscheidende Bedeutung bekommen könnten. Seit Mitte Dezember 2018 kreist der Satellit inzwischen um die Erde, beobachtet von Wissenschaftlern aus mehreren deutschen Forschungsinstituten.

„Darüber, dass wir für lange Missionen im All unsere Nahrungsmittel vor Ort erzeugen müssen, sind sich die Kollegen einig“, sagt Jens Hauslage vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). „Wie die organischen Abfälle dann aber recycelt werden sollen, darüber hat sich kaum jemand Gedanken gemacht.“ Hauslage ist wissenschaftlicher Leiter der Eu:CROPIS-Mission – und will mit seinen Kollegen herausfinden, ob im Weltraum ein ähnlicher Kreislauf funktioniert wie auf der Erde. Dort wird totes Material zersetzt und umgewandelt und steht dann der nächsten Pflanzengeneration als natürlicher Dünger wieder zur Verfügung. „Dafür brauchen wir die Funktionalität des Bodens“, erklärt Hauslage, „aber das geht im Weltraum nicht so einfach. Wir können auf der ISS keinen Komposthaufen betreiben.“

„Die Tomaten sind für uns nichts weiter als ein Biosensor. Wir haben uns für sie entschieden, weil sie mit ihrer roten Farbe für die 16 Kameras sehr gut zu sehen sind.“
Eine mögliche Lösung ist der Filter, den die Forscher „C.R.O.P“ genannt haben und der dem Satelliten auch seinen Namen gegeben hat: „Combined Regenerative Organic Food Production“ heißt er ausgeschrieben, und Fachmann Hauslage bezeichnet ihn als „Rieselfilter“. Er imitiert den Boden auf der Erde und stellt die recycelten Nährstoffe – quasi den Kompost – in flüssiger Form bereit. So sollen dann in einem zweiten Schritt im Weltraum Tomaten wachsen. „In manchen Berichten hieß es, wir würden Tomaten im Weltall züchten“, sagt Jens Hauslage. „Dabei sind die Tomaten für uns nichts weiter als ein Biosensor. Wir haben uns deshalb für sie entschieden, weil sie mit ihrer roten Farbe für die 16 Kameras sehr gut zu sehen sind.“ Im Mittelpunkt seines Interesses steht der künstliche Urin, der im Filter verarbeitet wird – und generell die Frage, wie biologische Systeme unter veränderten Schwerkraftbedingungen zurechtkommen.

Antworten darauf sucht auch Michael Lebert. Er lehrt Zellbiologie an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und verantwortet mit seinem Team die zweite wichtige Aufgabe an der Eu:CROPIS-Satellitenmission: Mit an Bord sind winzige Organismen, denen beim Wachstum der Tomaten eine besondere Rolle zukommt. Wenn die Tomaten keimen, übernehmen Einzeller die Versorgung mit Sauerstoff – sie betreiben Photosynthese. Außerdem entgiften sie bei Bedarf das System, denn hin und wieder kann es passieren, dass sich im C.R.O.P.-Filter zu viele Ammoniumionen anhäufen. Für die Pflanzen wäre das nicht besonders gesund. Die eingesetzten Einzeller hingegen fressen Ammonium sehr gern.

„Euglena gracilis“ heißen die Winzlinge, die Michael Lebert für die Experimente verwendet – besser bekannt als Augentierchen. „Wir finden bei Euglena zu einer Hälfte pflanzliche und zur anderen Hälfte tierische Gene“, erklärt Lebert. „Dieser Organismus betreibt zwar Photosynthese, ist aber keine Alge. Andererseits kann er sich wie eine tierische Zelle auf einer Oberfläche bewegen.“ Bereits seit er in Marburg botanische Physiologie studiert hat, ist Lebert von den kleinen Organismen fasziniert. Ganz besonders beschäftigt ihn dabei die Frage, wie sie sich unter veränderten Schwerkraftbedingungen verhalten. Denn während sich Faktoren wie die Zusammensetzung der Atmosphäre, die Intensität des Sonnenlichts oder die Beschaffenheit des Bodens über die Epochen der Erdgeschichte hinweg geändert haben, ist die Gravitation der einzig konstante Reiz, der das Leben seit Jahrmilliarden beeinflusst. Wie seine Augentierchen auf den Wegfall dieses Reizes reagieren, haben Lebert und sein Team schon auf Parabelflügen und mit Experimenten auf der ISS untersucht. Nun folgen die Schwerkraftbedingungen von Mond und Mars, den wahrscheinlichsten Zielen bemannter Raumfahrt in den kommenden Jahren. Der Satellit Eu:CROPIS ist der erste Satellit, in dem künstliche Schwerkraft erzeugt wird. Dazu dreht er sich um seine eigene Achse. Während im Zentrum des Satelliten weiterhin Schwerelosigkeit herrscht, nimmt die Schwerkraft in Richtung Außenwand zu.

Zuerst sollen für sechs Monate die Bedingungen auf dem Mond simuliert werden, danach weitere sechs Monate die auf dem Mars. Um zu ergründen, wie ihre Schützlinge darauf reagieren, hat sich die Erlanger Arbeitsgruppe einiges ausgedacht. „Wir beobachten die Oberfläche des Euglena-Tanks mit einem Linienscanner“, erzählt Lebert. Dazu wird die Zellsuspension von der Seite angeleuchtet. Dann werden die Pumpen ausgeschaltet. Diese wälzen den Inhalt des Tanks normalerweise um. Denn Euglenen neigen dazu, sich festzusetzen und darunter würde die Entgiftungsarbeit leiden. Ohne diese sanfte, aber stete Strömung verteilen sich die Augentierchen an den Stellen, wo ihnen die Schwerkraft zusagt. Diese Ansammlungen streuen und absorbieren das Licht anders. Der Linienscanner nimmt diese Signale auf und die Wissenschaftler können erkennen, welche Schwerkraftwerte die Einzeller mögen und welche sie nicht mehr wahrnehmen können.

„Ich persönlich finde aber die genetischen Untersuchungen am spannendsten“, sagt Michael Lebert. „Dazu haben wir eine Analyseeinrichtung entwickelt, mit der wir Veränderungen an bis zu 500 Genen der Augentierchen beobachten können. Uns interessiert ja, was die Organismen gerade herstellen.“ Dazu haben sie ein aufwendiges Verfahren entwickelt, mit dem es erstmals gelingt, solche Untersuchungen im Weltall vorzunehmen. Ganz anders lief die Konstruktion des C.R.O.P.-Filters. Sein Herzstück ist Lavagestein, in dem verschiedenste Mikroorganismen leben, die den künstlichen Urin aufspalten sollen. „Beim typischen ingenieurtechnischen Ansatz würde man einzelne Organismen gezielt auswählen und unter sterilen Bedingungen einsetzen“, erklärt DLR-Forscher Jens Hauslage. „Von denen wird dann erwartet, dass sie miteinander kooperieren und ein biologisches System ermöglichen.“

„Mit C.R.O.P. eliminieren wir einen Problemstoff und gewinnen auf biologischem Wege ein hochwertiges Düngemittel“
Dass dieser Ansatz gelingt, sei allerdings unwahrscheinlich. Aus eigener Erfahrung weiß der Gravitationsbiologe: „Entweder haben wir ein funktionierendes System, das wir aber nicht 100-prozentig verstehen. Oder wir haben eines mit wohldefinierten Organismen, das dann aber meist nicht funktioniert“, erklärt Hauslage.

Deshalb hatte es für ihn oberste Priorität, einen geeigneten Lebensraum anzubieten – welche Mikroorganismen genau sich darin ansiedeln, hat er ihnen selbst überlassen. „Die erste Community haben wir mit einem Löffel Gartenerde eingeimpft. Die Organismen, die sich in diesem Habitat wohlfühlen, haben sich vermehrt und letztlich auch durchgesetzt.“

Ihren Spezialfilter können die Wissenschaftler inzwischen auch auf der Erde einsetzen. „Irgendwann meinte ein Kollege: ‚Warum schütten wir denn nicht mal Gülle auf den Filter?'“, erinnert sich Jens Hauslage. Das häufige Problem der Überdüngung von Feldern und der Emission von Ammoniak könnte sich mit dem C.R.O.P.-Filter lösen lassen: In mehreren Testserien konnte er 100-prozentigen Urin und 100-prozentige Gülle zu einem nitratreichen und gut lagerfähigen Salz verstoffwechseln. „Ich spreche gern von einer Veredlung der Gülle“, sagt der DLR-Forscher. „Denn mit C.R.O.P. eliminieren wir einen Problemstoff und gewinnen auf biologischem Wege ein wirklich hochwertiges Düngemittel.“Auch Medikamentenrückstände können die Mikroorganismen aus dem Filter wirkungsvoll abbauen.

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• Eu:CROPIS

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