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: Universität Göttingen.

13. Oktober 2021 – Protuberanzen schweben als riesige Wolken über der Sonne, gehalten von einem Stützgerüst aus magnetischen Kraftlinien, deren Fußpunkte in tiefen Sonnenschichten verankert sind. Die dort stets herrschenden Strömungen bewegen das Stützgerüst und damit die Protuberanz. Ein Forschungsteam der Universität Göttingen und der Institute für Astrophysik aus Paris, Potsdam und Locarno hat beobachtet, dass in den Sonnenprotuberanzen die ionisierte Eisen-Atome um bis zu 70 Prozent schneller sind als neutrale Helium-Atome. Die Ergebnisse der Studie sind in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal erschienen.

Die Forscher beobachteten, wie magnetische Kräfte innerhalb von zehn Minuten eine Protuberanz um 25.000 Kilometer – etwa zwei Erddurchmesser – anhoben. Das entspricht mit 42 Kilometern pro Sekunde etwa der vierfachen Schallgeschwindigkeit in der Protuberanz. Dabei traten Schwingungen mit einer Periode von 22 Sekunden auf, bei denen ionisierte Eisen-Atome bis zu 70 Prozent schneller waren als neutrale Helium-Atome. Nach den Gesetzen der Physik müssen die elektrisch geladenen Eisen-Ionen den Bewegungen des Magnetfeldes folgen, nicht aber die ungeladenen Helium-Atome. Diese werden zwar von den Ionen mitgerissen, jedoch nur zum Teil, da es nicht genügend Kollisionen gibt, weil der Gasdruck zu niedrig ist.

Solche Bedingungen, bei denen teil-ionisiertes Gas mit wenigen Kollisionen vorkommt, spielen in der Astrophysik eine wichtige Rolle – nicht nur in Sonnen-Protuberanzen, sondern unter anderem auch in Gas-Wolken, aus denen sich Sterne und Planeten bilden, im weit-verteilten Gas zwischen den Sternen und im Gas zwischen Galaxien. Die theoretische Astrophysik simuliert solch einen Zustand mit zwei Flüssigkeiten, die nur schwach miteinander wechselwirken. „Diese Rechnungen enthalten Modell-Annahmen, von denen einige mit den neuen Messergebnissen überprüft werden können“, sagt Dr. Eberhard Wiehr vom Institut für Astrophysik der Universität Göttingen.

Das Team führte die Beobachtungen am Sonnenteleskop in Locarno durch, mit dem nur zwei Emissionslinien gleichzeitig gemessen werden konnten. Nun planen die Wissenschaftler erweiterte Beobachtungen am französischen Teleskop auf Teneriffa, mit dem mehrere Linien gleichzeitig vermessen werden können. Zudem ermöglicht die vierfache Lichtstärke dieses Teleskops eine so kurze Belichtung der lichtempfindlichen Kameras, dass noch kürzere Schwingungsperioden messbar werden. „Möglicherweise finden wir dann noch höhere Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den geladenen Ionen und den neutralen Atomen.“

Originalveröffentlichung:
Eberhard Wiehr et al. Velocity Difference of Ions and Neutrals in Solar Prominences. Astrophysical Journal (2021).

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• Unsere Sonne

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Quelle: Dr. Eberhard Wiehr.

Die drei Materie-Zustände fest, flüssig, gasförmig können um einen vierten (’Plasma’) erweitert werden, der in der Astrophysik eine entscheidende Rolle spielt: Atome, die durch hohe Temperatur oder Strahlung Hüllen-Elektronen verloren haben. Die Sonnen-Korona etwa ist mit circa zwei Millionen Grad so heiß, daß dem Eisen sogar 15 seiner 56 Elektronen fehlen. Die elektrisch geladenen Ionen werden von magnetischen Kräften derart beeinflußt, daß sie sich nur entlang, nicht aber quer zu den Kraftlinien bewegen können.

Unter besonderen Umständen können neben den positiv geladenen Ionen auch elektrisch neutrale Atome existieren, auf die magnetische Kräfte nicht wirken. Gibt es genügend Stöße zwischen diesen beiden Teilchensorten, dann werden sie sich gegenseitig mitreißen. Gibt es nicht genügend Stöße, so verhalten sich beide fast so wie zwei unabhängige Gase. Die physikalischen Bedingungen in solch ’teil-ionisiertem Plasma ohne Stoß-Gleichgewicht’ sind ebenso schwierig zu berechnen, wie zu beobachten.

Letzeres ist Dr. Eberhard Wiehr aus Göttingen, Dr. Götz Stellmacher aus Paris und Dr. Michele Bianda aus Locarno nun gelungen. In einer Protuberanz über dem Sonnenrand beobachteten sie, daß Strontium-Ionen sich 22% schneller bewegen als Natrium-Atome. Sie vermaßen dazu die gelbe Spektrallinie des neutralen Natriums gleichzeitig mit einer violetten Linie des einfach-ionisierten Strontiums.

Der Geschwindigkeits-Uberschuß der Strontium-Ionen war sechzehn Stunden später in der gleichen Protuberanz auf 11% geschrumpft. Offenbar wurden die neutralen Natrium-Atome nun stärker von den Strontium-Ionen mitgerissen. Ursache hierfür könnte eine größere Dichte der Ionen sein, die sowohl die Stoß- als auch die ’Mitnahme’- Wahrscheinlichkeit erhöht.

Aber auch das Strömungsverhalten könnte sich in den sechzehn Stunden verändert haben. Die höheren Ionen-Geschwindigkeiten waren an eine Schwingung des magnetischen Gerüsts gekoppelt, das Protuberanzen gegen die Sonnen-Anziehung in der Schwebe hält. Die Fußpunkte dieses Gerüstes sind ständigen Bewegungen der tieferen Sonnenschichten ausgesetzt, wodurch die magnetischen Kraftlinien schwanken.

Die Ionen folgen jeder Umkehr der Schwingungs-Richtung instantan, während die neutralen Atome sich immer wieder an den Ionen neu orientieren müssen. Bei einer konstanten Plasma-Strömung ohne Schwingungs-Umkehr bliebe den Ionen genug Zeit die Neutralen mitzureißen. Wäre anderseits die Schwingung allzu schnell, so kämen die Neutralen den Ionen nicht mehr nach. Das Auftreten einer 30-Minuten-Schwingung in der beobachteten Protuberanz kam daher der Entdeckung schnellerer Ionen entgegen.

Die Forscher planen nun die systematische Suche nach Protuberanzen mit passenden Schwingungen, die sie über längere Zeit vermessen wollen.

Originalpublikation:

• Wiehr et al. Evidence for the two fluid scenario in solar prominences. Astrophysical Journal (2019).

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Ein Beitrag von felixherrmann. Quelle: CfA News Release. Vertont von Siegfried Krug.

Astronomen haben die ersten negativ geladenen Moleküle im Weltraum entdeckt. Sie wurden mittels von ihnen selbst emittierten Radiosignalen, die sich bisher nicht entschlüsseln ließen, identifiziert. Zurzeit ist bekannt, dass 130 neutrale und 14 positiv geladene Moleküle im interstellaren Raum existieren, aber dieses ist das erste negative Molekül.
„Wir haben eine seltene und exotische Sorte entdeckt, wie der weiße Tiger des Weltraums“, berichtet der Astronom Michael McCarthy vom Havard-Smithsonian Zentrum für Astrophysik (CfA).

Aus mehr Erkenntnissen über die Chemie des interstellaren Raums erhoffen sich die Astronomen, endlich erklären zu können, wie die junge Erde all die grundlegenden Substanzen für das Leben bilden konnte. Forschungsergebnisse aus diesem Gebiet helfen anderen Wissenschaftlern, die Geburt und die Geburtsorte der Planeten besser nachzuvollziehen.

McCarthy arbeitet mit seinen Kollegen vom CfA Carl Gottlieb, Harshal Gupta und Patrick Thaddeus an der weiteren Identifizierung des negative geladenen Moleküls C₆H^–. Eine gerade Kette aus 6 Kohlenstoffatomen, an sie gebunden ein Wasserstoffatom und ein weiteres „Extra“ Elektron. Bisher dachte man, dass solche Moleküle extrem selten sind, weil das ultraviolette Licht, welches den Raum durchdringt, alle Elektronen ganz leicht abspaltet. Die Größe des C₆H^–-Moleküls, größer als die meisten neutralen und positven Moleküle, ruft wahrscheinlich die hohe Stabilität aus.
„Die Entdeckung des C₆H^–-Moleküls löst ein uraltes Rätsel der Astrochemie: Der ersichtliche Mangel an negativ geladenen Molekülen im Raum“, sagt Thaddeus.
Das Team führte erst Experimente im Labor durch, um genau die Radiofrequenzen zu bestimmen, nach denen sie später suchen wollten. Danach benutzten sie das Robert C. Byrd Green Bank Teleskop für ihre Suche, um nach dem C₆H^–-Molekül bei kosmischen Objekten zu suchen. In diesem Fall suchten sie zuerst die Regionen ab, von wo aus schon einmal unbekannte Radiofrequenzen mit ähnlicher Frequenz gemessen wurden.
Sie fanden das C₆H^–-Molekül in zwei verschiedenen Regionen – in einer Gashülle um den Roten Überriesen IRC+10216 in der Leo-Konstellation und außerdem noch in der kalten Molekülwolke TMC-1 im Taurus. Die Präsenz des Moleküls in beiden Regionen zeigt, dass die chemischen Prozesse, die C₆H^– entstehen lassen, allgegenwärtig sind. Es lässt auch die Existenz anderer negativ geladener Moleküle vemuten, die in nächster Zeit bestimmt gefunden werden.

„Der Fund ist der handfeste Beweis für unser ziemlich primitives Verständnis der interstellaren Chemie. Es ist aber inbegriffen, dass mehr molekulare Anionen, vielleicht sogar sehr viele, im Labor oder im Weltraum gefunden werden“, erzählt McCarthy.

Ein ausführlicher Forschungsbericht wird am 1.Dezember in der Ausgabe des „Astrophysical Journal Letters“ erscheinen.

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