Quelle: Karlsruher Institut für Technologie 4. Juni 2024.

4. Juni 2024 – Grundwasser bildet das größte ungefrorene Süßwasserreservoir der Welt und ist für das Leben auf der Erde von entscheidender Bedeutung. Wie sich die globale Erwärmung auf dessen Temperatur auswirkt und was das für Mensch und Natur bedeutet, haben Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) jetzt untersucht. Die Studie zeigt, dass bis zum Jahr 2100 voraussichtlich mehr als 75 Millionen Menschen in Gebieten leben werden, in denen das Grundwasser den höchsten von einem Land festgelegten Grenzwert für die Trinkwassertemperatur überschreitet. Ihre Ergebnisse sind in Nature Geoscience veröffentlicht. (DOI: 10.1038/s41561-024-01453-x)

Das Klimasystem erwärmt sich. Grund dafür ist die erhöhte Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre, welche die Wärmeabstrahlung einschränken. Einen großen Teil dieser Wärme nehmen die Ozeane auf, aber auch Böden und das Grundwasser wirken als Wärmesenken. Bisher ist jedoch wenig darüber bekannt, wie sich diese Erwärmung der Erdoberfläche räumlich und zeitlich auf das Grundwasser auswirkt. „Um die Lücke zu schließen, haben wir die prognostizierten Veränderungen der Grundwassertemperatur bis zum Jahr 2100 auf globaler Ebene dargestellt“, sagt Dr. Susanne Benz vom Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung (IPF) des KIT, welche die Studie gemeinsam mit Dr. Kathrin Menberg und Professor Philipp Blum vom Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW) des KIT erstellt hat. „Wir stellen globale Temperaturkarten für Grundwasser in verschiedenen Tiefen unter der Erdoberfläche zur Verfügung. Diese zeigen, dass an Orten mit flachem Grundwasserspiegel und/oder hoher atmosphärischer Erwärmung weltweit die höchsten Grundwassererwärmungsraten zu erwarten sind.“

Die Forschenden beziehen sich auf die Klimaszenarien „SSP2-4.5“ und „SSP5-8.5“. Solche Szenarien beschreiben verschiedene sozioökonomische Entwicklungen sowie unterschiedliche Verläufe des atmosphärischen Treibhausgasgehalts in der Zukunft. SSP2-4.5 stellt dabei etwa die Mitte der möglichen zukünftigen Treibhausgasentwicklungen dar, SSP5-8.5 den oberen Rand.

Millionen Menschen von zu warmem Trinkwasser betroffen
Die Studie zeigt, dass die Grundwassertemperaturen bis zum Jahr 2100 um 2,1 Grad Celsius nach SSP2-4.5 und um 3,5 Grad Celsius nach SSP5-8.5 ansteigen werden. „Schon heute leben rund 30 Millionen Menschen in Gebieten, in denen das Grundwasser wärmer ist, als die strengsten Richtlinien für Trinkwasser vorgeben. Das bedeutet, dass das Wasser dort nicht bedenkenlos direkt getrunken werden kann, sondern zum Beispiel abgekocht werden muss. Denn auch das Trinkwasser in den Wasserleitungen wird durch die Wärme im Boden aufgeheizt“, so die Wissenschaftlerin. „Je nach Klimaszenario werden bis zum Jahr 2100 bis zu mehrere Hundert Millionen Menschen betroffen sein.“ Nach SSP2-4.5 steige die Zahl auf 77 bis 188 Millionen Menschen, nach SSP5-8.5 auf 59 bis 588 Millionen an, so die Studie. Die starken Schwankungen hängen mit der räumlichen Variabilität des Klimawandels und der Bevölkerungsentwicklung zusammen. Die geringsten Erwärmungsraten prognostizieren die Forschenden für Gebirgsregionen mit tief liegendem Grundwasserspiegel wie die Anden oder die Rocky Mountains.

Temperaturänderungen beeinflussen Ökosysteme
Die Temperatur des Grundwassers spielt eine entscheidende Rolle für die Wasserqualität. Sie beeinflusst eine Vielzahl chemischer, biologischer und physikalischer Prozesse. „Wenn die Bedingungen stimmen, können steigende Grundwassertemperaturen indirekt dazu führen, dass sich schädliche Stoffe wie Arsen oder Mangan im Grundwasser anreichern. Diese erhöhten Konzentrationen können sich negativ auf die menschliche Gesundheit auswirken, insbesondere wenn das Grundwasser als Trinkwasserquelle genutzt wird“, sagt Benz. Zudem beeinflusse wärmeres Grundwasser den Temperaturhaushalt von Flüssen, grundwasserabhängige Ökosysteme, aquatische biogeochemische Prozesse und das geothermische Potenzial. Dies stelle eine Herausforderung für die biologische Vielfalt dar und berge das Risiko, dass Kohlenstoff- und Nährstoffkreisläufe gestört werden.

Darüber hinaus können die erhöhten Temperaturen im oberflächennahen Boden und im Grundwasser kritische Schwellenwerte in den Wasserverteilungsnetzen überschreiten. Dies könnte gesundheitliche Folgen haben, beispielsweise durch das Wachstum von Krankheitserregern wie Legionella spp. Auch Fischarten, insbesondere der Lachs, sind von den veränderten Bedingungen betroffen. Laichplätze in Flüssen, die auf das Grundwasser angewiesen sind, könnten durch die Erwärmung zu warm werden und so die Fortpflanzung gefährden. „Unsere Ergebnisse zeigen, wie wichtig es ist, Maßnahmen zum Schutz der Grundwasserressourcen zu ergreifen und nachhaltige Lösungen zu finden, um den negativen Auswirkungen des Klimawandels auf das Grundwasser entgegenzuwirken“, appelliert Benz.

Details zum KIT-Zentrum Klima und Umwelt
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 10 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 800 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.

Originalpublikation
Susanne A. Benz, Dylan J. Irvine, Gabriel C. Rau, Peter Bayer, Kathrin Menberg,
Philipp Blum, Rob C. Jamieson, Christian Griebler, Barret L. Kurylyk: Global groundwater warming. Nature Geoscience, 2024.
DOI: 10.1038/s41561-024-01453-x
https://www.nature.com/articles/s41561-024-01453-x
pdf: https://www.nature.com/articles/s41561-024-01453-x.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: Karlsruher Institut für Technologie 22. November 2022.

22. November 2023 – Die Satellitenmission CAIRT wird immer wahrscheinlicher. Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) hat den vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) koordinierten Vorschlag nun als einen von zwei verbleibenden Kandidaten für eine Mission zur Erdbeobachtung ausgewählt. Die finale Entscheidung fällt 2025.

Die Entscheidung der ESA, die Satellitenmission CAIRT (steht für: changing-atmosphere infrared tomography) als eines von zwei Vorhaben weiterzuverfolgen, wurde am Dienstag (21.11.2023) durch das ESA Programme Board for Earth Observation bestätigt. „Für uns bedeutet das, dass die Mission nun in die sogenannte Phase A eintritt. Unsere Planungen werden damit viel konkreter“, erläutert Professor Björn-Martin Sinnhuber vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK) des KIT, der die wissenschaftlichen Arbeiten koordiniert. „Wird unser Vorschlag dann von der ESA ausgewählt, könnten wir in den frühen 2030er-Jahren die ersten Daten erhalten.“ Bis dahin könnte CAIRT mit dem ESA-Satelliten Earth Explorer 11 in die Erdumlaufbahn starten. Zweck der Mission ist es, dringend benötigte Daten über Veränderungen in der Erdatmosphäre zu erheben. Sie sollen das Wissen über die Kopplung von atmosphärischer Zirkulation, die genaue Zusammensetzung der Atmosphäre und regionale Klimaänderungen verbessern.

Weltraumtomograf für die Atmosphäre
Kernstück von CAIRT ist ein abbildendes Infrarotspektrometer, mit dem in bisher unerreichter räumlicher Auflösung eine Vielzahl von Spurengasen, Aerosolen und atmosphärischen Wellen vermessen werden kann. „Die Tomografie ist uns als ein Instrument der medizinischen Diagnostik vertraut“, sagt Sinnhuber. „Bei uns passiert im Grunde dasselbe, nur ein bisschen größer. Es ist eine Art Weltraumtomograf für die gesamte Erdatmosphäre.“ Dazu wird CAIRT die Atmosphäre regelmäßig in einer Höhe von fünf bis 115 Kilometern im Infrarotbereich mit einer horizontalen Auflösung von etwa 50 mal 50 Kilometern und einer vertikalen Auflösung von einem Kilometer vermessen.

Die jetzt geplante Mission baut dabei auf langjähriger Erfahrung in der Atmosphärenfernerkundung am KIT auf. Durch die Fernerkundung mithilfe von Ballons und Flugzeugen haben Forschende des KIT in den vergangenen Jahren bereits Pionierarbeit geleistet. „Gemeinsam mit dem Forschungszentrum Jülich haben wir das wissenschaftliche Instrument GLORIA entwickelt, das als eine Art Prototyp für CAIRT betrachtet werden kann“, erläutert Dr. Michael Höpfner vom IMK, der die Forschung mit GLORIA am KIT leitet und auch an CAIRT beteiligt ist. Mit GLORIA seien bereits großartige wissenschaftliche Beobachtungen gelungen, zuletzt etwa neue Erkenntnisse zum Transport von Aerosolen nach ausgedehnten Waldbränden in Kanada bei der Messkampagne PHILEAS mit dem Forschungsflugzeug HALO, aber auch bei Ballonkampagnen. „Mit der Satellitenmission CAIRT können wir das noch einmal auf ein neues Niveau heben, weil wir dann täglich globale Messungen bekommen“, so Höpfner.

Über CAIRT
Das KIT hat den Vorschlag für das Satellitenkonzept für die Mission CAIRT koordiniert und baut dabei auf einer langjährigen gemeinsamen Initiative mit dem Forschungszentrum Jülich auf. Die wissenschaftliche Zielsetzung wird in enger Kooperation von einem internationalen Expertinnen- und Expertengremium definiert und ausgearbeitet, das sich aus dem European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), dem Institute of Applied Physics „Nello Carrara“ (IFAC), dem Institute of Astrophysics of Andalusia (IAA-CSIC), dem National Centre for Scientific Research (CNRS) in Frankreich, dem Royal Belgian Institute for Space Aeronomy (BIRA-IASB), der University of Leeds und der University of Oxford in Großbritannien, der University of Oulu in Finnland und dem Finnish Meteorological Institute (FMI) sowie der University of Toronto in Kanada zusammensetzt.

Weitere Informationen
https://www.cairt.eu/de

Details zum KIT-Zentrum Klima und Umwelt
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• Planet Erde

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Quelle: Karlsruher Institut für Technologie 22. September 2022.

22. September 2022 – Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der KIT Freundeskreis und Fördergesellschaft e.V. (KFG) verleihen die Heinrich-Hertz-Gastprofessur 2022 an Professor Dr. Reinhard Genzel. Er ist Direktor des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching und erhielt 2020 den Nobelpreis für Physik. Dazu leitet Genzel am KIT ein Seminar für Studierende

Der öffentliche Vortrag von Reinhard Genzel trägt den Titel „Galaxien und Schwarze Löcher“: Seit der Entdeckung der Quasare vor etwa 50 Jahren haben sich die Indizien gehäuft, dass in den Zentren von Milchstraßensystemen massive Schwarze Löcher sitzen, die durch Akkretion von Gas und Sternen effizient Gravitationsenergie in Strahlung umwandeln. Durch hochauflösende Messungen im Infrarot- und Radiobereich ist es jetzt gelungen, im Zentrum unserer eigenen Milchstraße einen Beweis für diese Hypothese zu liefern. Gleichzeitig wurden neue und unerwartete Resultate über den dichten Sternhaufen in der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs erbracht. Hierbei haben neue Entwicklungen in der Infrarotinstrumentierung und der adaptiven Optik und Interferometrie am neuen Großteleskop der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile, dem Very Large Telescope (VLT), eine wichtige Rolle gespielt. Gleichzeitig ist klar geworden, dass die meisten Galaxien massive Schwarze Löcher beherbergen und diese Schwarzen Löcher bereits etwa eine Milliarde Jahre nach dem Urknall entstanden sein müssen. Reinhard Genzel präsentiert diese neuen Messungen und diskutiert ihre Konsequenzen für die Entstehung von Schwarzen Löchern im frühen Universum.

Der Vortrag findet im Forum-Hörsaal im Audimax, Campus Süd, Geb. 30.95, Straße am Forum 1, 76131 Karlsruhe statt.

Schon am 4. Oktober leitet Reinhard Genzel ein Seminar für Studierende mit dem Titel „The formation and evolution of star-forming galaxies“. (jho)

Zur Heinrich-Hertz-Gastprofessur
Mit der Heinrich-Hertz-Gastprofessur ehren der KIT Freundeskreis und Fördergesellschaft e.V. und das KIT jedes Jahr eine herausragende Persönlichkeit aus Wissenschaft, Wirtschaft, Kultur oder Politik für ihre Leistungen und Beiträge in Forschung und Gesellschaft. Der heutige KIT Freundeskreis und Fördergesellschaft e.V., der sich für die Förderung von Forschung, Lehre, Innovation und akademischem Zusammenleben am KIT einsetzt, stiftete die Gastprofessur 1987 – hundert Jahre nach dem experimentellen Nachweis der elektromagnetischen Wellen durch den Physiker Heinrich Hertz an der Technischen Hochschule Karlsruhe, einer Vorgängereinrichtung des KIT.

Zur Person
Professor Dr. Reinhard Genzel, geboren 1952, ist Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching, Wissenschaftliches Mitglied der Max-Planck-Gesellschaft und Professor an der Graduate School for Physics and Astronomy der University of California in Berkeley. Er ist einer der weltweit führenden Forscher auf dem Gebiet der Infrarot- und Submillimeter-Astronomie. Seine Forschungsschwerpunkte sind Experimentelle Astrophysik, Schwarze Löcher, Galaxienkerne, Galaxienentwicklung, Sternenentstehung und extragalaktische Astrophysik. Professor Genzel wurde 2020, zusammen mit Roger Penrose und Andrea Ghez, der Nobelpreis für Physik verliehen.

Über das KIT
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9 800 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 300 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Forschungszentrum Jülich 29. August 2022.

Nach dem erfolgreichen Jungfernflug in Schweden im vergangenen Jahr dient die aktuelle Kampagne neben der Erforschung der stratosphärischen Luftschichten dazu, die Europäische Weltraumagentur ESA bei der Vorbereitung von Satellitenmissionen wie CAIRT und FORUM zu unterstützen. Der Ballon mit Gloria-B steigt bis zu 36 Kilometer hoch in der Atmosphäre auf und hat dort einen Durchmesser von rund 100 Metern.

CAIRT („The Changing-Atmosphere Infra-Red Tomography Explorer“) ist ein Satellitenkonzept, das vom Forschungszentrum Jülich, dem KIT und neun weiteren Partnern entwickelt wurde. Dabei handelt es sich um ein Infrarot-Tomographie-Experiment zur Untersuchung der Atmosphäre im Wandel. Treibhausgase und Luftschadstoffe, aber auch natürliche Phänomene wie Vulkanausbrüche wirken sich auf die Erdatmosphäre aus. Ziel von CAIRT ist es, diese Prozesse detailliert untersuchen zu können. Die ESA hat CAIRT im vergangenen Jahr in die engere Wahl für die Mission „Earth Explorer 11“ gezogen. GLORIA trägt hierbei als Vorläuferinstrument von CAIRT aus großen Höhen Messungen bei, die dabei helfen, die technische Machbarkeit sowie die Messmöglichkeiten des Satelliteninstruments zu demonstrieren.

Die GLORIA-B-Messungen in Kanada werden von den Entwicklungsingenieur*innen vom Institut für Systeme der Elektronik betreut, die das Detektorauslesesystem und den Prozessierungsrechner entwickelt haben. Die Messungen ergänzen weitere Ballonstarts am Forschungszentrum Jülich: „Zeitnah zum GLORIA-Flug sammeln unsere Kolleg*innen in Jülich mithilfe von Messgeräten an kleineren Stratosphärenballons Luftproben und untersuchen sie später im Labor auf Spurengase wie Methan und FCKW. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die stratosphärische Zirkulation ableiten, die sich durch den Klimawandel verändert“, erläutert Dr. Jörn Ungermann vom Institut für Stratosphäre, der die Messkampagne in Timmins von Jülicher Seite aus koordiniert. Durch den Vergleich beider Messmethoden soll gezeigt werden, dass GLORIA und später CAIRT die stratosphärische Zirkulation in dieser schwer zugänglichen Region der oberen Atmosphäre untersuchen kann.

Die beiden Datensätze werden ein Schlaglicht auf die Zirkulation der mittleren Atmosphäre werfen. Luftmassen steigen durch die tropische Tropopause auf, werden innerhalb der Stratosphäre zu höheren Breiten transportiert und sinken dort in höheren Breiten wieder ab. Das Alter der Luft seit Eintritt in die Stratosphäre lässt sich durch die Messungen bestimmen. Es beträgt in der Regel mehrere Jahre, ist aber mit hohen Unsicherheiten behaftet. Die Transportprozesse sind von großer Bedeutung für den Treibhauseffekt, da sie in einer besonders sensitiven Höhe stattfinden.

Darüber hinaus wird GLORIA in einer ähnlichen Messgeometrie wie das bereits für die Earth-Explorer-9-Mission ausgewählte Fernerkundungsexperiment FORUM eingesetzt. Die Kombination von GLORIA mit dem italienischen FIRMOS Instrument wird zeigen, inwieweit sich FORUM mit dem Wettersatelliten MetOp-SG ergänzt.

Das Forschungszentrum Jülich ist seit 2018 in der Mission Advisory Group vertreten und hat wesentlich zur erfolgreichen Auswahl von FORUM beigetragen. Der Start des Satelliten ist für das Jahr 2027 geplant. Das Hauptinstrument wird das von der Erde in den Weltraum abgestrahlte Licht spektral hochaufgelöst messen und dabei erstmals auch bei Wellenlängen im sogenannten fernen Infrarot. Dieser bisher unerforschte Teil der Erdstrahlung sorgt für etwa die Hälfte der Strahlungskühlung der Erde und für die Hälfte des Treibhauseffekts. Darüber hinaus enthalten die Messungen spektrale Fingerabdrücke des Wasserdampffeedbacks, der den menschengemachten Treibhauseffekt verstärkt.

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• Klimawandel

Der Beitrag Atmosphärenforschung: GLORIA-B misst in 36 Kilometer Höhe erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DLR 1. Juli 2022.

1. Juli 2022 – Roboter können in Gegenden vordringen, die für Menschen gefährlich oder unerreichbar sind. Sie können sogar fremde Planeten erkunden – oder den Mond. Das wurde jetzt am Vulkan Ätna (Italien) gezeigt: Unterschiedliche Roboter haben selbstständig Aufträge erledigt – sie haben Gesteinsproben genommen, analysiert und die Ergebnisse an einen Kontrollraum weitergeleitet. Neben dieser „Geological Mission I“ wurden zwei weitere Szenarien vorgestellt. Sie bilden den Abschluss des Helmholtz-Projekts ARCHES (Autonomous Robotic Networks to Help Modern Societies). Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) leitet das Projekt. Die Lava-Landschaft am sizilianischen Vulkan Ätna ähnelt der Mondoberfläche und eignet sich deswegen gut als Testumgebung. Neben der losen, grobkörnigen Beschaffenheit sind auch die erstarrten Lava-Schichten realistische Herausforderungen für Erkundungsmissionen.

„Teams aus mobilen Robotern haben bei künftigen Weltraum-Missionen eine wichtige Rolle. In heterogenen Teams ergänzen und unterstützen sich die Roboter mit ihren unterschiedlichen Fähigkeiten. Sie dienen als verlängerter Arm und verlängertes Auge des Menschen“, erklärt Dr. Armin Wedler, Projektleiter im DLR-Institut für Robotik und Mechatronik. In der „Geological Mission I“ sah das so aus: Zwei Roboter waren gemeinsam autonom unterwegs. Dazu kommt noch eine Drohne. Roboter LRU1 (Light weight rover unit 1) bewertet Bodenproben über seine Kameras, er gilt im Team als der „Wissenschaftler“. LRU2 übernimmt die Rolle des „Assistenten“, er sammelt Bodenproben ein, bringt sie zum Lander oder analysiert sie mit LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy; Laser-induzierte Plasmaspektroskopie).

Für LIBS wird ein leistungsstarker gepulster Laserstrahl auf die Probe gerichtet. Das Material verdampft teilweise und über das entstandene Plasma erkennt LIBS unterschiedliche Elemente. Das ARCHES LIBS Modul ist eine Entwicklung des DLR-Instituts für Optische Sensorsysteme. LRU2 transportiert außerdem Materialboxen, hat Platz für Werkzeug und stellt sicher, dass LRU1 immer WLAN hat. Die Drohne ARDEA gilt im Team als „Kundschafter“ und kartiert das Gelände. Wegen des zeitweise starken Windes am Ätna konnten die Fähigkeiten von ARDEA und LIBS nicht bei allen Durchläufen eingesetzt werden.

Die drei Szenarien basieren auf unterschiedlichen Rahmenbedingungen
Die „Geological Mission I“ geht davon aus, dass die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Aufgaben der Roboter von der Erde aus überwachen. Anders ist es bei der „Geological Mission II“, die ebenfalls am Ätna gezeigt wurde. Hier werden die Roboter von einer Station im Orbit gesteuert. Neben LRU1 und LRU2 sammelt der Interact Rover Gesteinsproben und bringt sie zu einem Lander. Der Interact Rover hat einen Kameraarm und einen Greifarm, der auch ein haptisches Feedback gibt. Das heißt, er ermöglicht den weit entfernten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ein Tastgefühl für die Gesteinsproben. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat einen Roboterarm mit einer Hand als haptische Mensch-Maschine-Schnittstelle entwickelt. Der vierte Roboter – der Scout-Rover – ist mit einem WLAN-Repeater ausgestattet und platziert sich so, dass Interact kontinuierlich Verbindung zum Kontrollraum hat. Bei der „Geological Mission II“ arbeiten die Roboter nicht autonom, sondern werden von einer Astronautin oder einem Astronauten gelenkt.

Bei der Demomission übernahm der deutsche Astronaut Thomas Reiter diese Aufgabe in einem eigens eingerichteten Kontrollraum in Catania, der etwa 23 Kilometer entfernt war. Die „Geological Mission II“ ist gleichzeitig der Abschluss der Analog-1-Kampagne der Europäischen Weltraumorganisation ESA. 2019 hatte ESA-Astronaut Luca Parmitano im Rahmen der Analog-1-Kampagne von der Internationalen Raumstation ISS aus den Interact Rover in einer simulierten Mondumgebung in den Niederlanden gesteuert.

Antenne für die Rückseite des Mondes
Im dritten Szenario „LoFar Experiment“ ging es um die Installation und Wartung eines Niederfrequenz-Funkantennenfeldes (LoFar, Low-Frequency Radio Array). Die LRU-Rover und die Drohne ARDEA haben so die Aufstellung des Antennensystems auf der Rückseite des Mondes simuliert. Eine entsprechende Antenne könnte von der Mondrückseite in die Tiefen des Weltalls gerichtet werden.

Das Helmholtz-Zukunftsprojekt ARCHES
Im Helmholtz-Zukunftsprojekt ARCHES (Autonomous Robotic Networks to Help Modern Societies) werden seit 2018 heterogene, autonome, vernetzte robotische Systeme entwickelt. Nicht nur die Roboter sind unterschiedlich, sondern auch die Anwendungsfelder. Neben der Erkundung des Sonnensystems ist zum Beispiel die Umweltüberwachung der Ozeane und die Unterstützung bei Krisen auf der Erde möglich.

Die Demo-Mission „Space“, die jetzt auf dem Ätna stattfand, musste wegen der Corona-Pandemie mehrmals verschoben werden. Eine Demo-Mission „Tiefsee“, die ebenfalls zu ARCHES gehört, wurde Ende 2020 durchgeführt.

Die Demo-Mission „Space“ wurde vom DLR gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) in Catania durchgeführt. Weitere ARCHES-Projektpartner sind das Alfred-Wegener-Institut (AWI, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung) und das GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel (GEOMAR). Vor fünf Jahren gab es bereits die Demomission ROBEX (Robotische Exploration unter Extrembedingungen) auf dem Ätna. ARCHES erweitert auch die Erkenntnisse, die durch ROBEX gewonnen wurden.

Neben dem DLR-Institut für Robotik und Mechatronik sind das DLR-Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik, das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation, das DLR-Institut für Optische Sensorsysteme und die Einrichtung Raumflugbetrieb und Astronautentraining an ARCHES beteiligt.

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• DLR

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Quelle: Karlsruher Institut für Technologie 28. Juni 2022.

Am 4. Juli 2012 – vor zehn Jahren – wurde am europäischen Großforschungszentrum CERN in Genf die Entdeckung des Higgs-Bosons bekannt gegeben. An dieser Entdeckung war das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit vielen wissenschaftlichen Gruppen und Technologien beteiligt – und die Forschenden des KIT beschäftigen sich auch weiterhin mit diesem Teilchen. Einblick in die laufende Forschung bietet die populärwissenschaftliche Veranstaltung „10 Jahre Higgs-Boson“ am 4. Juli 2022 ab 18:00 Uhr.

„Das Higgs-Teilchen verleiht allen anderen Teilchen ihre Masse und ist das letzte Puzzlestück, das im Standardmodell der Teilchenphysik zur Beschreibung der Materiebausteine und ihrer Wechselwirkungen noch gefehlt hatte“, sagt der Teilchenphysiker Professor Markus Klute, der mit seiner Gruppe in den USA wesentlich zur Entdeckung des Higgs-Bosons beigetragen hat. Seit dem vergangenen Jahr forscht er als Humboldt-Professor am KIT.

Beendet sei die Forschung zu dem Teilchen aber noch lange nicht, so Klute. „Wir wollen das Higgs-Teilchen besser und vor allem breit verstehen: Welche Eigenschaften hat es? Welche Prozesse unterstützt es? Wie koppelt es sich an andere Teilchen? Gibt es Teilchen, die ihm gleichen?“ Inzwischen können die Forschenden das Higgs-Boson bis in den Prozentbereich hinein vermessen. Doch es gehe noch um mehr: „Am Ende möchte ich herausfinden, wo die Grenzen unseres Verständnisses liegen“, sagt Klute.

Was aber kommt nach dem Standardmodell? „Es gibt Phänomene, die es nicht abbildet. Ein Beispiel ist die dunkle Materie, die für den Aufbau unseres Universums mit seinen Galaxien fundamental wichtig ist“, erläutert Klute. Dass es sie geben muss, zeigten Gravitationsmessungen – gesehen habe man sie jedoch noch nicht. Auch Wechselwirkungen zwischen dunkler und sichtbarer Materie seien bislang nicht nachweisbar. „Meine Hoffnung ist, dass wir durch das Higgs-Boson mehr darüber lernen können“, sagt Klute.

Markus Klute und sein Team sind in der Hochenergiephysik unterwegs. Sie designen Maschinen, die auf Lichtgeschwindigkeit gebrachte Teilchen bei der Kollision aufspüren, entwickeln die Analysewerkzeuge für die gemessenen Daten und haben den Einsatz moderner Techniken des Maschinellen Lernens in der Hochenergiephysik etabliert. Das derzeit wichtigste Projekt von Klute ist das internationale Großforschungs-Experiment Compact Muon Solenoid, kurz CMS, am Large Hadron Collider (LHC) des CERN in Genf. Der Physiker gehört zu dem Team das im Laufe der CMS-Messungen das Higgs-Boson entdeckt hat.

Populärwissenschaftliche Veranstaltung „10 Jahre Higgs-Boson“
Medien und interessierte Öffentlichkeit sind zur Veranstaltung „10 Jahre Higgs-Boson“ am 4. Juli 2022 ab 18:00 Uhr im Gerthsen-Hörsaal (Gebäude 30.21), Engesserstraße 9, am Campus Süd des KIT in Karlsruhe eingeladen. Vertreterinnen und Vertreter der Medien melden sich bitte per E-Mail an presse@kit.edu an.

Programm

• 18:00 Uhr: Begrüßung durch den Moderator Martin Besinger (SWR)
• 18:05 Uhr: Liveschaltung ans CERN und Unterhaltung mit Dr. Frank Hartmann, Institut für Experimentelle Teilchenphysik des KIT
• 18:15 Uhr: „Das Higgs-Boson: Eine Erfolgsgeschichte”, Prof. Markus Klute, Leiter des Instituts für Experimentelle Teilchenphysik des KIT
• 18:45 Uhr: Podiumsdiskussion
  mit Prof. Ulrich Husemann, Institut für Experimentelle Teilchenphysik des KIT
  Jun.-Prof. Felix Kahlhöfer, Institut für Theoretische Teilchenphysik des KIT
  Dr. Belina von Krosigk, Institut für Astroteilchenphysik des KIT
  und Prof. Anke-Susanne Müller, Leiterin des Instituts für Beschleunigerphysik und Technologie des KIT.
  Mit Fragen aus dem Publikum.

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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Quelle: Karlsruher Institut für Technologie 10. Juni 2022.

10. Juni 2022 – Waren die Ozeane der Erde im Cryogenium – vor rund 700 Millionen Jahren – vollständig mit Eis bedeckt oder zog sich ein eisfreier Wassergürtel um den Äquator, in dem Schwämme und andere Lebensformen überleben konnten? Ein Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Wien konnte nun in globalen Klimamodellen zeigen, dass ein Klimazustand mit einem Wassergürtel eher unwahrscheinlich und damit keine zuverlässige Erklärung für das Überdauern von Leben im Cryogenium ist. Grund dafür ist der unsichere Einfluss von Wolken auf das damalige Klima. Die Ergebnisse der Studie stellt das Team im Fachjournal Nature Geoscience vor. (DOI: 10.1038/s41561-022-00950-1)

Vom Weltraum aus hätte die Erde während der globalen Eiszeiten im Cryogenium möglicherweise wie ein großer Schneeball ausgesehen. Die Geowissenschaft bezeichnet diese in der Forschung etablierte Annahme einer geschlossenen Meereisdecke deshalb als Schneeballerde-Theorie. Noch ist insbesondere ungeklärt, wie Schwämme – von denen fossile Funde zeugen – in dem sehr kalten Schneeballerde-Klima überlebt haben könnten. Deshalb haben einige Forschende als alternative Theorie einen eisfreien Wassergürtel um den Äquator vorgeschlagen.

Leben trotz wahrscheinlich vereister Ozeane
Klimaforscher des KIT haben gemeinsam mit Kollegen der Universität Wien die klimatischen Bedingungen während des Cryogeniums mit globalen Klimamodellen und einem idealisierten Energiebilanzmodell untersucht. Sie erwarteten, in den simulierten Szenarien einen Klimazustand mit einem Wassergürtel zu finden, um zu untersuchen, unter welchen Bedingungen dieser stabil bleibt. „Wir waren überrascht, dass sich dieser Zustand in den Modellen als nicht robust zeigt“, sagt Christoph Braun vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung – Department Troposphärenforschung (IMK-TRO) des KIT. Das Leben im Cryogenium sei also wahrscheinlich den harten Evolutionsbedingungen global vereister Ozeane ausgesetzt gewesen.

Aus der Studie ergaben sich neue Erkenntnisse über die Rolle der Wolken: „Wolken und ihre Strahlungsreflexion sind wichtig für die Stabilität eines Wassergürtel-Zustands – dieser starke Einfluss war bisher nicht bekannt“, betont der Doktorand und Erstautor der Studie. Mit dem in der Veröffentlichung vorgeschlagenen Wolken-Reflektivitäts-Mechanismus ließen sich die Ergebnisse früherer Studien neu interpretieren und möglicherweise zu einem in sich stimmigeren Bild verknüpfen.

Wolken erschweren Blick in die Klimavergangenheit
„Mit den globalen Klimamodellen und einem idealisierten Klimabilanzmodell können wir den Einfluss der Reflektivität von Wolken zeigen und die zugrundeliegenden Prozesse erklären“, sagt Braun. „Wie stark die Reflektivität der Wolken im Cryogenium gewesen ist, lässt sich damit jedoch nicht beurteilen, denn die Unsicherheit bei der Repräsentation von Wolken in globalen Klimamodellen ist groß.“ Entscheidend für das Rückstrahlungsvermögen ist, wie effizient Wassertröpfchen in Eis umgewandelt werden, was unter anderem von Art und Menge der als Eiskeime wirkenden Aerosole abhängt. Diese Vorgänge spielen sich auf einer Millimeterskala ab, während sich die Rechengitter der Modelle bislang in der Größenordnung von mehr als 100 Kilometern bewegen. Die Ergebnisse zeigen, dass Wolken entscheidend sind, um Klimaänderungen vorherzusagen und die Dynamik erdgeschichtlicher Vergletscherungen zu verstehen. „Wolken erschweren uns nicht nur den Blick in die Zukunft, sondern auch in die Vergangenheit“, so Braun.

Beurteilung der Bewohnbarkeit von Planeten außerhalb unseres Sonnensystems
Die Erkenntnisse der Forscher könnten künftig auch nützlich sein, um zu beurteilen, ob Planeten außerhalb unseres Sonnensystems bewohnbar sind. „Interessant wird dies zum Beispiel, wenn zukünftige Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops Blicke auf Wolken in den Atmosphären extrasolarer Planeten ermöglichen“, sagt Braun. Die Forscher des KIT haben die Simulationen auf dem Hochleistungsrechner Mistral des Deutschen Klimarechenzentrums in Hamburg durchgeführt. „Als nächsten Schritt haben wir begonnen, Wolken unter den klimatischen Bedingungen des Cryogeniums auf feineren Rechengittern zu simulieren. So können wir untersuchen, ob und wie die mit den Wolken einhergehende Unsicherheit verringert werden kann“, sagt Braun.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat das im Mai 2022 abgeschlossene Forschungsprojekt innerhalb des DFG-Projekts „Ist die Jormungandhypothese eine mögliche alternative Erklärung für die Neoproterozoischen Eiszeiten?“ drei Jahre lang mit insgesamt 202 000 Euro gefördert. Für die Simulationen wurde das Atmosphärenmodell ICON verwendet, an dessen Entwicklung das KIT in einem Konsortium mit dem Max-Planck-Institut für Meteorologie und dem Deutschen Wetterdienst beteiligt ist.

Über das Karlsruher Institut für Technologie
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9 800 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 300 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.

Originalpublikation
Christoph Braun, Johannes Hörner, Aiko Voigt, and Joaquim G. Pinto: Ice-free tropical waterbelt for Snowball Earth events questioned by uncertain clouds. Nature Geoscience, 2022, DOI: 10.1038/s41561-022-00950-1.
https://www.nature.com/articles/s41561-022-00950-1

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• Planet Erde

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Quelle: Max-Planck-Institut für Physik, München.

14. Februar 2022 – Neutrinos sind die wohl faszinierendsten Elementarteilchen in unserem Universum. In der Kosmologie spielen sie eine wichtige Rolle bei der Bildung von großräumigen Strukturen, und in der Welt der Teilchenphysik nehmen sie eine Sonderstellung ein durch ihre winzige Masse, die auf neue physikalische Prozesse jenseits unserer bisherigen Theorien hinweist. Ohne eine Messung der Neutrinomasse wird unser Verständnis des Universums unvollständig bleiben.

Hier setzt das internationale KATRIN-Experiment am KIT mit Partnern aus sechs Ländern als weltweit sensitivste Waage für Neutrinos an. Es benutzt den Beta-Zerfall von Tritium, einem instabilen Wasserstoff-Isotop, um aus der Energieverteilung der bei diesem Zerfall erzeugten Elektronen die Masse des Neutrinos zu bestimmen. Dazu ist ein enormer technischer Aufwand notwendig: Das 70 Meter lange Experiment beherbergt die weltweit intensivste Quelle von Tritium sowie ein riesiges Spektrometer, mit dem sich die Energien der Zerfallselektronen mit bisher unerreichter Präzision messen lassen.

Die hohe Qualität der ersten Daten nach der Inbetriebnahme im Jahr 2019 konnte in den letzten beiden Jahren kontinuierlich gesteigert werden. „KATRIN als Experiment mit höchsten technologischen Anforderungen läuft nun wie ein perfektes Uhrwerk“, freut sich Guido Drexlin vom KIT, der Projektleiter und einer der beiden Co-Sprecher des Experiments. Christian Weinheimer, Universität Münster, der andere Co-Sprecher, ergänzt: „Dabei waren die Reduktion der Störsignale und die Erhöhung der Signalrate entscheidend für das neue Resultat“.

Akribische Datenanalyse: Erster Vorstoß in den Bereich unter einem Elektronenvolt
Die Auswertung dieser Daten stellte das internationale Team um die beiden Analyse-Koordinatoren Susanne Mertens, Max-Planck-Institut für Physik (MPP) und Technische Universität München und Magnus Schlösser, KIT, vor große Herausforderungen: Jeder Einfluss auf die Neutrinomasse, so klein er auch sein mochte, musste detailliert untersucht werden. „Nur durch diese aufwändige und akribische Arbeit konnten wir eine systematische Beeinflussung unseres Resultats durch andere Effekte wirklich ausschließen. Wir sind ganz besonders stolz auf unser Analyseteam, das sich dieser Herausforderung mit großem Engagement erfolgreich gestellt hat“, so Mertens und Schlösser.

Die experimentellen Daten des ersten Messjahres und die Modellierung auf Basis einer verschwindend kleinen Neutrinomasse passen perfekt: Daraus lässt sich eine neue Obergrenze für die Neutrinomasse von 0,8 Elektronenvolt (eV) bestimmen. Erstmals stößt so ein direktes Neutrinomassenexperiment in den kosmologisch und teilchenphysikalisch wichtigen Massenbereich unter einem Elektronenvolt vor, in dem die fundamentale Massenskala von Neutrinos vermutet wird. „Die Teilchenphysik-Gemeinschaft ist begeistert, dass die 1-eV-Barriere von KATRIN durchbrochen wurde“ kommentiert Neutrinoexperte John Wilkerson, University of North Carolina, der Vorsitzende des KATRIN Executive Boards.

Susanne Mertens erläutert den Weg zum neuen Rekord: „Unser Team am MPP in München hat für KATRIN eine neue Analysemethode entwickelt, die speziell auf die Anforderungen dieser hochpräzisen Messung optimiert ist. Diese Strategie wurde erfolgreich für die vergangenen und aktuellen Ergebnisse eingesetzt. Meine Gruppe ist hochmotiviert: Wir werden uns auch den künftigen Herausforderungen der KATRIN-Analyse mit neuen kreativen Ideen und akribischer Genauigkeit stellen.“

Weitere Messungen sollen Empfindlichkeit verbessern
Die Co-Sprecher und Analyse-Koordinatoren von KATRIN beschreiben die kommenden Ziele: „Die weiteren Messungen zur Neutrinomasse werden noch bis Ende 2024 andauern. Um das volle Potential dieses einzigartigen Experiments auszuschöpfen, werden wir nicht nur die Statistik der Signalereignisse kontinuierlich erhöhen; wir entwickeln und installieren fortwährend Verbesserungen zur weiteren Absenkung der Störereignisrate“.

Dabei spielt die Entwicklung des neuen Detektorsystems TRISTAN, mit dem sich KATRIN ab 2025 auf die Suche nach „sterilen“ Neutrinos im Kiloelektronvolt-Massenbereich begeben soll, eine besondere Rolle. Solche sterilen Neutrinos wären Kandidaten für die mysteriöse Dunkle Materie, die sich schon in vielen astrophysikalischen und kosmologischen Beobachtungen manifestiert hat, deren teilchenphysikalische Natur aber noch immer unbekannt ist.

(*) 1 Elektronenvolt entspricht der unvorstellbar geringen Masse von ca. 1,8 x 10^-36 Kilogramm

Publikation
Direct neutrino-mass measurement with sub-eV sensitivity
KATRIN Collaboration
Nature Physics
DOI: 10.1038/s41567-021-01463-1
https://www.nature.com/articles/s41567-021-01463-1.epdf

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• Neutrinos

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Quelle: Universität Hamburg.

30. August 2021 – In den nächsten drei Jahren fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung die experimentelle Teilchenphysik an der Universität Hamburg mit 6,25 Millionen Euro. Das Geld fließt in Hamburger Forschungsaktivitäten rund um das „CMS-Experiment“ am CERN, dem europäischen Zentrum für Teilchenphysik in Genf.

Im Mittelpunkt stehen der Betrieb und Ausbau des Compact Muon Solenoid Detektors (CMS) am CERN sowie die Auswertung von Daten des CMS-Experiments. Dieses ist eines von vier internationalen Forschungsprojekten, mit denen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Teilchenkollisionen am größten Beschleunigerring des CERN untersuchen und die kleinsten Bausteine der Materie erforschen. „Durch die Förderung wird unsere teilchenphysikalische Forschung am weltweit leistungsstärksten Beschleuniger, dem Large Hadron Collider, ganz erheblich unterstützt“, sagt Prof. Dr. Peter Schleper, dessen Arbeitsgruppe bereits seit einigen Jahren am CMS-Experiment forscht. Ebenso beteiligt sind die Teams seiner Kolleginnen und Kollegen Prof. Dr. Erika Garutti, Prof. Dr. Johannes Haller, Dr. Andreas Hinzmann und Juniorprofessor Dr. Gregor Kasieczka. Ihre Arbeit ist eng verzahnt mit den wissenschaftlichen Aktivtäten des Hamburger Exzellenzclusters Quantum Universe.

Im Frühjahr 2022 beginnt am Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) eine neue Datennahmeperiode, die besonders interessante Einblicke in die Welt der Elementarteilchen erlauben wird. „Wir wollen vor allem das 2012 entdeckte Higgs-Teilchen genauer untersuchen und auch drängende Fragen zur Dunklen Materie angehen. Auf diesen Gebieten bieten die CMS-Daten faszinierende Möglichkeiten“, erklärt Prof. Johannes Haller.

Um die Zahl der Teilchenkollisionen im Beschleuniger zu erhöhen, ist ab 2025 ist ein mehrjähriger Umbau des LHC geplant. Deshalb müssen Teile des CMS-Experiments ausgetauscht werden gegen solche, die an die künftig höhere Leistung des Beschleunigers angepasst sind. Prof. Erika Garutti entwickelt diese Komponenten mit ihrem Team: „Bereits 2017 haben wir mit der Arbeit an einem Design für einen strahlungsharten Silizium-Detektor begonnen, der mit der erhöhten Leistung des LHC-Beschleunigers zurechtkommt. Die Ergebnisse sind vielversprechend.“ Silizium-Detektoren bilden den innersten Kern des CMS-Experiments rund um den Teilchenstrahl des Beschleunigers und sind besonders hohen Strahlungsintensitäten ausgesetzt.

Die Beteiligung deutscher Forschender am CMS-Experiment fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen eines deutschlandweiten Forschungsschwerpunktes, dessen Sprecher Prof. Johannes Haller seit Kurzem ist. An dem Forschungsschwerpunkt sind neben der Universität Hamburg und dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) auch die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das CASUS-Institut in Görlitz beteiligt.

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• Large Hadron Collider

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Quelle: KIT.

Durch Virtual Reality wird das physikalische Innenleben des internationalen Großexperiments KATRIN am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) nun für jeden erkundbar. Bei dem virtuellen Erlebnis können Besucherinnen und Besucher erfahren, wie KATRIN funktioniert, und dank interaktiver Elemente sogar selbst experimentieren. Entstanden ist die VR-Umgebung in Kooperation mit dem Nationalen Institut für Wissenschaftskommunikation (NaWik). Zur Online-Vorstellung am 7. Juli 2021 um 17:00 Uhr sind Öffentlichkeit und Medien eingeladen (Anmeldung: scheuermann@nawik.de).

Neutrinos sind die leichtesten, häufigsten, aber auch rätselhaftesten Masse tragenden Teilchen in unserem Universum. Sie sind elektrisch neutral und wechselwirken mit ihrer Umgebung nur über die Gravitation und die sogenannte schwache Kraft. Bis vor Kurzem wurden Neutrinos im Standardmodell der Teilchenphysik als masselose Teilchen beschrieben. Aus Beobachtungen von atmosphärischen und solaren Neutrinos konnte in den vergangenen Jahren jedoch gezeigt werden, dass Neutrinos doch eine kleine Masse besitzen. Die Größe der Masse ist aber immer noch unbekannt. Mit dem Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) wollen Forschende die Masse dieser rätselhaften Teilchen erstmals genau bestimmen. Notwendig ist dafür unter anderem ein hochauflösendes Spektrometer mit großem Durchmesser (zehn Meter). Das Experiment wird von Forschenden am KIT in Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Partnern durchgeführt, derzeit sind rund 200 Personen beteiligt.

Neuartige VR-Umgebung macht Großexperiment zugänglicher
Großexperimente der Grundlagenforschung wie KATRIN sind üblicherweise für die Öffentlichkeit kaum zugänglich. Dies liegt an den besonderen Reinheitsauflagen und Sicherheitsvorschriften – und natürlich auch daran, dass die laufenden Experimente nicht gestört werden dürfen. Nun öffnet eine Virtual-Reality-Anwendung neue Möglichkeiten der Erfahrbarkeit. Die Nutzerinnen und Nutzer bekommen so einen direkten Einblick in das Innere der Forschungsanlage und erfahren, wie sich die Elementarteilchen in diesem großen Versuchsaufbau bewegen und verhalten. Zudem bietet die Anwendung auch die Möglichkeit, selbst in die Rolle einer Wissenschaftlerin oder eines Wissenschaftlers zu schlüpfen und mit dem Experiment zu interagieren – etwa indem Variablen der Messung beim virtuellen Betrieb verändert werden.

Zukünftige Anwendung in der Lehre geplant
Die neuartige VR-Anwendung wurde im Forschungsprojekt Science In Presentations am NaWik in Kooperation mit dem KIT entwickelt und wird von der Klaus Tschira Stiftung gefördert. Sie kombiniert fotorealistische 360-Grad-Ansichten des Versuchsaufbaus des KATRIN-Experiments mit einer virtuellen Ebene. Die Anwendung besteht aus einem geführten Abschnitt, in dem ähnlich einem Rundgang ein Wissenschaftler oder eine Wissenschaftlerin die Anlage und die eigene Forschung erklärt, sowie der anschließenden Möglichkeit, die Anlage auf eigene Faust zu erkunden. Dort berichten weitere KATRIN-Forschende noch mehr über die Funktionsweise und Ziele des einzigartigen Experiments. Die VR-Anwendung läuft im Browser und kann entweder mit einem eigenen Head-Mounted-Display („VR-Brille“) oder alternativ am Tablet, Laptop oder PC genutzt werden.

Künftig soll die VR-Umgebung auch in der Lehre des KIT eingesetzt werden. Dafür wird sie aktuell vom NaWik und dem KIT-Zentrum Elementarteilchen und Astroteilchenphysik (KCETA) weiterentwickelt. Finanziert wird das Vorhaben mit Mitteln aus der Förderung „Research Infrastructures in Research-Oriented Teaching“ des KIT im Rahmen der Exzellenzstrategie von Bund und Ländern.

Online-Veranstaltung in der VR-Umgebung
Vorgestellt werden soll das VR-Erlebnis des Neutrino-Experiments zum ersten Mal live bei einer Online-Veranstaltung am 7. Juli 2021 um 17:00 Uhr. Vertreterinnen und Vertreter der Medien sowie die interessierte Öffentlichkeit sind dazu herzlich eingeladen. Nach Kurzimpulsen zum KATRIN-Experiment und dem Forschungsprojekt Science In Presentations werden Einblicke in die VR-Anwendung gegeben. Anschließend besteht die Gelegenheit für Fragen und Diskussion.

Parallel dazu haben die Teilnehmenden die Möglichkeit, die browserbasierte VR-Anwendung selbst auf ihren eigenen Geräten zu testen und Fragen und Kommentare daraus auch in die Diskussion einzubringen.

Teilnehmende Expertinnen und Experten

• Professorin Kathrin Valerius, Institut für Astroteilchenphysik am KIT
• Dr. Philipp Niemann, Wissenschaftlicher Leiter des NaWik
• Yannic Scheuermann, Wissenschaftlicher Mitarbeiter des NaWik

Zudem ist Professor Carsten Könneker, Geschäftsführer der Klaus Tschira Stiftung, mit einem virtuellen Grußwort zugeschaltet.

Anmeldung
Wir bitten um Anmeldung bis Mittwoch, 7. Juli 12:00 Uhr per Mail an Yannic Scheuermann: scheuermann@nawik.de.

Zoom-Zugangsdaten
Die Zoom-Zugangsdaten werden nach Anmeldeschluss an alle Teilnehmenden versandt.

Über das NAWIK
Das Nationale Institut für Wissenschaftskommunikation, eine gemeinnützige GmbH, wurde 2012 von der Klaus Tschira Stiftung und dem Karlsruher Institut für Technologie gegründet. Das Institut vermittelt Forschenden und Studierenden die Grundlagen verständlicher und guter Wissenschaftskommunikation mit Nicht-Spezialisten. Das Lehrangebot des NaWik umfasst aktuell zwölf Seminartypen mit einem einheitlichen didaktischen Konzept – von Basis- oder Präsentationsseminaren bis hin zu Medienseminaren. Die Seminare werden in Präsenz oder als virtuelle Angebote realisiert. Eine eigene Forschungsabteilung untersucht am NaWik praxisrelevante Fragen der Wissenschaftskommunikation empirisch. Zudem ist das NaWik Teil der Redaktion von wissenschaftskommunikation.de. Das NaWik hat seinen operativen Sitz in Karlsruhe. Seminare werden bundesweit angeboten.

Über das KIT
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9.600 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 23 300 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.

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• Neutrinos

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Quelle: KIT.

Treibhausgase und Luftschadstoffe, aber auch natürliche Phänomene wie Vulkanausbrüche wirken sich auf die Erdatmosphäre aus. Diese Prozesse detailliert untersuchen zu können, ist Ziel des Satellitenkonzeptes CAIRT, das Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und ihre Partner entwickelt haben. Die Europäische Weltraumorganisation ESA hat CAIRT nun als einen von vier Kandidaten für eine Mission zur wissenschaftlichen Erdbeobachtung ausgewählt. Für die vier Vorschläge folgen zunächst Machbarkeitsstudien, bevor 2025 eine Mission endgültig ausgewählt wird, die im Jahr 2031 oder 2032 als „Earth Explorer 11“ starten soll.

CAIRT steht für „The Changing-Atmosphere Infra-Red Tomography Explorer“. Es handelt sich dabei um ein Infrarot-Tomographie-Experiment zur Untersuchung der Atmosphäre im Wandel.

„Klimamodellrechnungen zeigen uns, dass sich die globale Atmosphäre vom Erdboden bis zum Rande des Weltweltraums in einem tiefgreifenden Wandel befindet, ausgelöst durch anthropogene Emissionen von Treibhausgasen, Luftschadstoffen und ozonzerstörenden Substanzen. Darüber hinaus gibt es natürliche Änderungen der Atmosphäre, zum Beispiel durch große Vulkanausbrüche oder Variation in der Sonnenaktivität“, erläutert Dr. Björn-Martin Sinnhuber vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung des KIT, der das internationale CAIRT-Team leitet. „Wir haben aber bisher nicht die benötigten Beobachtungen, um diese Änderungen und die ihnen zugrunde liegenden Prozesses im Detail untersuchen zu können. CAIRT kann diese Daten liefern.“

Die Veränderungen in der Zusammensetzung der Atmosphäre zu verstehen, sei wichtig, da sie, zusammen mit Veränderungen in der Zirkulation, Klima, Wetter und Luftqualität beeinflussten, so Sinnhuber. „Für belastbare Vorhersagen verstehen wir heute beispielsweise noch nicht gut genug, wie sich die Zirkulation auf die Temperaturen an der Erdoberfläche, auf Dürren oder auf extreme Niederschlagsereignisse auswirkt. Diese Veränderungen hängen zudem entscheidend damit zusammen, wie sich die Ozonschicht erholt.”

Tomographie für die Erdatmosphäre
CAIRT nutzt innovative Technologien, um drängende Fragen zum Klimawandel zu lösen. Kernstück ist ein abbildendes Infrarotspektrometer, mit dem in bisher unerreichter räumlicher Auflösung eine Vielzahl von Spurengasen, Aerosolen und atmosphärischen Wellen vermessen werden können. Dazu wird CAIRT die Atmosphäre in einer Höhe von fünf bis 115 Kilometern im Infrarotbereich mit einer horizontalen Auflösung von etwa 50 mal 50 Kilometern und einer vertikalen Auflösung von einem Kilometer vermessen.

„Als Untersuchungsverfahren ist die Tomographie vielleicht aus der medizinischen Diagnostik bekannt. Wir machen nun etwas Ähnliches mit der globalen Atmosphäre“, so Sinnhuber. „Ein solches abbildendes Infrarotspektrometer ist bisher noch nicht im Weltraum eingesetzt worden. Unser Ziel ist, durch die Infrarotmessungen ein detailliertes Bild vom inneren Zustand der Atmosphäre zu bekommen – vom Erdboden bis an den Rand des Weltalls.“

Erfahrung in der Atmosphärenerkundung – Partner im In- und Ausland
Das Satellitenkonzept CAIRT baut auf Erfahrung in der Atmosphärenfernerkundung am KIT auf. Auf diesem Gebiet haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT in den vergangenen Jahren bereits Pionierarbeit geleistet. „Mit dem GLORIA-Instrument betreibt das KIT gemeinsam mit dem Forschungszentrum Jülich eine Art Prototyp vom Flugzeug und Ballon aus, mit dem uns schon großartige wissenschaftliche Beobachtungen gelungen sind. CAIRT wird das noch einmal im wahrsten Sinne des Wortes auf ein neues Niveau heben, weil wir dann täglich globale Messungen bekommen können“, so Sinnhuber. „CAIRT baut auf dieser umfassenden Erfahrung in der Atmosphärenfernerkundung am KIT auf, zu der neben Satellitenexperimenten auch Untersuchungen mit Flugzeugen, Ballons und vom Boden zählen.“

Der nun von der ESA ausgewählte Vorschlag CAIRT wird vom KIT koordiniert. Weitere Partner sind die britische Universität Leeds, das Belgische Institut für Weltraum-Aeronomie, das Institut für Astrophysik Andalusiens, das Nationale Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS) in Frankreich, das Europäisches Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF), das Forschungszentrum Jülich, das Institut für Angewandte Physik „Nello Carrara“ des italienischen Forschungsrates, das Unternehmen Airbus sowie die Universität Toronto in Kanada.

Über das KIT
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9.600 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 23.300 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.

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• ESA

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