Quelle: AEI 26. August 2024.

26. August 2024 – Anfang 2024 genehmigte die Europäische Weltraumorganisation mit LISA das erste Gravitationswellen-Observatorium im All. LISAs Start ist für 2034 geplant. Stärke, Anzahl und Art der Signale, die LISA beobachten wird, werden sich deutlich von denen unterscheiden, die bodengestützte Detektoren messen können. Dadurch erschließt sich ein völlig neuer Bereich des Gravitationswellen-Spektrums. Dies stellt die Wissenschaftler*innen vor zahlreiche Herausforderungen, denn sie müssen nun die theoretischen und datenanalytischen Instrumente entwickeln, um LISAs Potenzial voll ausschöpfen zu können. Beim Workshop „Fundamental Physics Meets Waveforms with LISA“ am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) im Potsdam Science Park werden vom 2. bis 6. September 2024 etwa 140 Forschende diese Methoden diskutieren.

LISA wird Gravitationswellen in dem noch unerforschten Bereich zwischen 0,1 mHz und 0,1 Hz nachweisen. In diesem Teil des Spektrums, der sich von der Erde aus nicht beobachten lässt, gibt es im Universum viele starke Quellen von Gravitationswellen: Doppelsysteme massereicher Schwarzer Löcher, kleine Schwarze Löcher, die um massereichere Schwarze Löcher kreisen und in diese hineinstürzen, sowie enge Doppelsternsysteme in unserer Milchstraße. LISA wird in der Lage sein, Doppelsysteme von Schwarzen Löchern mit Sternenmassen viele Jahre vor deren Verschmelzung zu entdecken. Ein Gravitationswellen-Hintergrund und möglicherweise völlig neue und unerwartete Quellen stehen ebenfalls auf der Liste möglicher künftiger Entdeckungen.

Neue Quellen erfordern neue Werkzeuge
Um LISAs Möglichkeiten voll auszuschöpfen, sind genaue und effiziente Vorhersagen der erwarteten Wellenformen für die neuen Quellen unerlässlich. Darüber hinaus werden für die effiziente und genaue Parameterbestimmung in den LISA-Daten neue Berechnungsmethoden und maschinelle Lernverfahren benötigt.

Der Workshop bringt nun die „Fundamental Physics“- und „Waveform“- Arbeitsgruppen des LISA-Konsortiums zusammen, um:

• die theoretischen Entwicklungen und Werkzeuge der Datenanalyse zu diskutieren, die notwendig sind, um mit LISA die Allgemeine Relativitätstheorie im Bereich starker Gravitationsfelder zu testen und um Schwarze Löcher zu untersuchen,
• wichtige Entwicklungen von Wellenformen für verschiedene Quellen von Gravitationswellen zu identifizieren, die für die Validierung der LISA-Daten und die wissenschaftliche Nutzung erforderlich sind.

Der Workshop wird von der Abteilung „Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie“ am AEI in Potsdam ausgerichtet, die eine Schlüsselrolle bei der Vorbereitung der wissenschaftlichen Nutzung von LISA spielt.

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• LISA/NGO – New Gravitational wave Observatory

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Quelle: Humboldt-Universität zu Berlin 27. Juni 2024.

27. Juni 2024 – Unter der Leitung von Prof. Dr. Jan Plefka vom Institut für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) hat ein internationales Team die Dynamik aufeinandertreffender Schwarzer Löcher mit bisher unerreichter mathematischer Präzision beschrieben. Ihre in der renommierten Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichte Studie liefert neue Einblicke in die Gravitationswechselwirkungen zwischen diesen Objekten in unserem Universum.

Schwarze Löcher sind die Objekte mit der höchsten Massendichte in unserem Universum. Ihre gravitative Kraft ist so groß, dass selbst Licht nicht entweichen kann. Wenn sich die Schwarzen Löcher aufeinander zubewegen, werden Gravitationswellen emittiert – ein Phänomen, das Albert Einstein bereits 1915 in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben hat und das an Gravitationswellendetektoren wie dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, kurz LIGO, in den USA auch schon beobachtet wurde.

Kombination von Methoden ermöglicht präzise Beschreibung
Das Team von Physikern der Humboldt-Universität, dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam und dem CERN in der Nähe von Genf, Schweiz, hat nun die Streuung zweier Schwarzer Löcher und die durch die Anziehungskraft zwischen beiden Massen entstehenden Wechselwirkungen hochpräzise berechnet. Dafür haben sie Methoden aus der Quantenfeldtheorie und der Teilchenphysik auf das klassische Zwei-Körper-Problem der Physik übertragen. Mit dieser Vorgehensweise, die modernste mathematische Integrationstechniken und Hochleistungsrechner erforderte, konnten sie eine ganz neue Ebene der Präzision erreichen.

„Die Lösung dieses Problems markiert eine neue Grenze für Mehrschleifen-Berechnungen und effektive Feldtheorie-Techniken“, sagt Jan Plefka, Leiter der Arbeitsgruppe Quantenfeld- und Stringtheorie am Institut für Physik der HU. „Wir mussten jeden Aspekt optimieren, von der Erzeugung des Integranden bis hin zur Entwicklung neuer Integrationsmethoden“, ergänzt Benjamin Sauer, Co-Autor und Doktorand in Plefkas Arbeitsgruppe. Insgesamt mussten etwa fünfhunderttausend 16-dimensionale Integrale, die den Streuwinkel beschreiben, auf 470 Masterintegrale reduziert werden, die dann berechnet wurden.

Hochpräzise Gravitationswellenmodelle für zukünftigen Detektor im Weltall
Mit ihren Berechnungen haben die Physiker eine näherungsweise Lösung des fundamentalen Zwei-Körper-Problems geliefert und zugleich die Grundlage für fortgeschrittene Gravitationswellenmodelle gelegt, die für Detektoren der nächsten Generation benötigt werden – so wie für die Laser Interferometer Space Antenna, LISA, einen Gravitationswellendetektor, den die Europäische Weltraumorganisation im All aufbauen will. Die höhere Präzision wird extrem genaue Tests der Einstein‘schen Theorie und neue Einblicke in die Kern- und Gravitationsphysik von Doppelsystemen rotierender Schwarzer Löcher ermöglichen.

„Unsere Ergebnisse bringen die Vorhersage von Gravitationswellen, die von Begegnungen zweier Schwarzen Löchern ausgehen, auf eine noch nie dagewesene Genauigkeit“, sagt Dr. Gustav Uhre Jakobsen, Co-Autor und wissenschaftlicher Mitarbeiter in der HU-Arbeitsgruppe. „Dies eröffnet brillante neue Möglichkeiten, um Aussagen zu fundamentalen Fragen der Physik aus künftigen Gravitationswellenbeobachtungen zu extrahieren.“

Publikation:
Conservative Black Hole Scattering at Fifth Post-Minkowskian and First Self-Force Order
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.241402
pdf: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.132.241402

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• Schwarze Löcher

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Quelle: DLR 25. Januar 2024.

Am 25. Januar 2024 haben die große Flaggschiffmission LISA (Laser Interferometer Space Antenna) und die M-Klasse-Mission EnVision im Wissenschaftsprogramm der Europäischen Weltraumorganisation ESA eine weitere, wichtige Hürde genommen. Das LISA-Observatorium zum Aufspüren von sogenannten Gravitationswellen wurde nun zusammen mit der EnVision-Mission zur Erkundung der Venus durch das Science Programme Committee (SPC) der ESA in einer „Mission Adoption“ formal in die Umsetzungsphase überführt. Damit können nun das detaillierte Design, der Bau und später die umfangreichen Tests von Sonden, Nutzlast und Bodeninfrastruktur in vollem Umfang begonnen werden. Die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist der größte Beitragszahler im Wissenschaftsprogramm der ESA und dadurch finanziell maßgeblich an der LISA-Mission und in Teilen an EnVision beteiligt. Dadurch werden wichtige Teile dieser beiden europäischen Raumfahrtgroßprojekte in Deutschland umgesetzt. Bei EnVision ist das DLR in Berlin maßgeblich an einem Hauptinstrument beteiligt. Die Leitung und Koordination der gesamten sogenannten VenSpec Suite liegt beim DLR-Institut für Planetenforschung. Das DLR-Institut für Weltraumforschung (ehemals DLR-Institut für Optische Sensorsysteme) hat die Multispektralkamera zur Suche nach aktiven Vulkanen und zur Kartierung der Mineralogie entwickelt und gebaut

LISA – Schwingungen der Raumzeit aufspüren
Bereits 2017 wurde LISA als eine der drei großen Flaggschiff-Missionen im Wissenschaftsprogramm der ESA ausgewählt. Seitdem haben intensive Arbeiten zum technischen Konzept und dessen Umsetzung stattgefunden. Auch die bereits seit den 1990er Jahren laufende wissenschaftliche Vorbereitung einschließlich der äußerst komplexen Datenverarbeitung und -analyse wurde seitdem in einem weltweiten Konsortium von mehr als 1500 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern intensiv fortgesetzt. Die ESA, wie auch die beteiligten nationalen Institutionen aus verschiedenen europäischen Ländern sowie der NASA in den USA und deren industrielle Auftragnehmer werden nun ihre jeweiligen Teams deutlich aufstocken, um die noch notwendigen, umfangreichen Entwicklungsarbeiten bis zum geplanten Start der Mission Mitte 2035 anzugehen.

LISA soll nach der Inbetriebnahme im All ab Ende 2035 niederfrequente Gravitationswellen aus dem Weltraum nachweisen und die Natur ihrer Quellen mit großer Genauigkeit bestimmen. Gravitationswellen als Schwingungen der Raumzeit werden durch schnelle zeitliche Änderungen in der räumlichen Verteilung sehr großer Massen wie zum Beispiel bei der Verschmelzung zweier stellarer oder auch supermassiver Schwarzer Löcher hervorgerufen. Die winzigen Amplituden einer Gravitationswelle lassen sich nur durch eine höchst empfindliche Laserinterferometrie nachweisen. Bei LISA wird dieses Laserinterferometer durch drei baugleiche Sonden aufgespannt, die ein nahezu gleichseitiges Dreieck mit rund 2,5 Millionen Kilometer Seitenlänge bilden. Damit wird LISA das bei weitem größte je von Menschen gebaute Observatorium sein.

LISA – größtes Observatorium wird mit maßgeblichem deutschen Anteil entwickelt und gebaut
LISA wird im Wissenschaftsprogramm der ESA unter Beteiligung der NASA und mit Beistellungen zur Nutzlast aus mehr als zehn europäischen Ländern unter anderem in Deutschland entwickelt und gebaut. Der industrielle Hauptauftragnehmer der ESA für die Gesamtmission wird im Januar 2025 aus einem deutschen beziehungsweise einem deutsch-italienischen Industriekonsortium ausgewählt: Airbus in Friedrichshafen und OHB in Bremen und Oberpfaffenhofen zusammen mit Thales-Alenia in Italien. Ein wissenschaftliches Konsortium ist maßgeblich an der Entwicklung von LISA beteiligt und baut zudem die Datenverarbeitung und -archivierung der Mission auf. Dabei kommt dem deutschen Beitrag zur Mission eine entscheidende und missionskritische Bedeutung zu. Dieser umfangreiche Beitrag zu LISA besteht wesentlich aus der führenden Rolle des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik / Albert-Einstein-Institut (AEI) in Hannover bei der Entwicklung des interferometrischen Nachweissystems (IDS – Interferometric Detection System), dessen Komponenten von verschiedenen Partnern in Europa bereitgestellt werden.

Das vom AEI entwickelte Herzstück des IDS ist neben dem optischen System, das vom Partner aus Großbritannien geliefert werden soll, das zentrale Phasenmeter der Mission. Dabei besteht eine enge Kooperation mit der Dänischen Technischen Universität (DTU) in Kopenhagen. Außerdem wird das Institut in Hannover in Zusammenarbeit mit niederländischen Partnern einen kritischen Mechanismus für die Nutzlast liefern. Das AEI unterstützt zudem die Mission und die ESA bei vielen Fragestellungen zum Systemdesign, wobei deren umfangreiche Erfahrungen aus der Entwicklung und dem Betrieb des Technologiedemonstrators LISA Pathfinder einfließen. Mit dieser Vorläufermission wurden von 2015 bis 2017 die entscheidenden Messprinzipien für LISA sehr erfolgreich im All erprobt. Zusammen mit der deutschen Raumfahrtindustrie hat das Albert-Einstein-Institut auch bei dieser Mission eine führende Rolle gespielt. Die gesamte Beteiligung des AEI an LISA, das auch die wissenschaftliche Leitung (Principal Investigator) der Gravitationswellenmission stellt, wird maßgeblich durch Zuwendungen der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) unterstützt.

EnVision – eine vielfältige Mission zu unserem Nachbarplaneten Venus
EnVision wurde im Juni 2021 als fünfte M-Mission im sogenannten Cosmic Vision Programm der ESA ausgewählt und wurde nun ebenfalls zur Umsetzung freigegeben. Im Laufe des Jahres 2024 wird sie dazu einen industriellen Auftragnehmer in Europa auswählen, so dass die Arbeiten zur Fertigstellung des Designs und zum Bau des Raumfahrzeugs bald beginnen können. EnVision soll im Jahr 2031 mit einer Ariane-6-Rakete starten. Die Mission wird die Venus von ihrem inneren Kern bis zur äußeren Atmosphäre untersuchen und wichtige neue Erkenntnisse über die Entwicklung, die geologische Aktivität und das Klima des Planeten liefern. Dadurch soll EnVision die vielen, seit langem offenen Fragen zur Venus beantworten, insbesondere, wie und wann der Zwilling der Erde so unwirtlich geworden ist. Das DLR in Berlin wird dabei helfen, diese Fragen zu beantworten, denn sowohl das DLR-Institut für Planetenforschung als auch das DLR-Institut für Optische Sensorsysteme sind dabei maßgeblich an einem der vier großen Instrumente der Mission beteiligt.

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• DLR
• LISA/NGO – New Gravitational wave Observatory
• EnVision : ESAs Venus-Mission (M5) auf Ariane 62

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Quelle: Europäische Kommission 9. Oktober 2023.

9. Oktober 2023 – Bei den drei Missionen werden mit sechs Satelliten und neun Experimenten Technologien dank einer Vielzahl von Anwendungen erprobt werden können, auf die im Folgenden näher eingegangen wird.

Mit dem IOD/IOV-Programm der Europäischen Union können Experimente in der Umlaufbahn durchgeführt werden und für wissenschaftliche, gemeinnützige oder kommerzielle Zwecke im Weltraum (Validierung in realer Umgebung) erprobt werden. Die Erprobung in der Umlaufbahn ist der letzte Schritt, der zu durchlaufen ist, bevor die Technologien auf den Markt gebracht werden können. Die Europäische Union nutzt die IOD/IOV-Missionen dafür, die Lücke zwischen der Entwicklung einer Technologie und ihrer Vermarktung zu schließen und wird dabei von der Europäischen Weltraumorganisation unterstützt. Sie bieten eine hervorragende Möglichkeit, die europäische Weltraumindustrie durch Innovationen wettbewerbsfähiger zu machen und die wissenschaftliche Exzellenz in Europa voranzubringen.

Im Rahmen der CubeSat-Missionen SYNDEO-1 und SYNDEO-2 werden sieben IOD/IOV-Experimente gebündelt. Die ESTCube-2-Mission und die ANSER-Mission werden dagegen mithilfe einsatzbereiter Satelliten für die Demonstration im Orbit durchgeführt werden.

Insgesamt werden im Rahmen dieses Vega-Flugs Teilnehmer aus sechs europäischen Ländern IOD/IOV-Dienste nutzen können.

1. SYNDEO-1 und SYNDEO-2: Die EU organisiert erstmals im Rahmen von „Horizont 2020“ gebündelt sieben Experimente zu verschiedenen einschlägigen Themen wie Weltraumwissenschaft, Technologie, Antrieb und Weltraumverkehrsmanagement. Die Missionen werden vom niederländischen Unternehmen ISISpace durchgeführt; die Nutzlasten wurden von Universitäten und KMU aus Belgien, Spanien, Frankreich und Tschechien hergestellt.
2. ESTCube-2: Diese Mission wurde von einer Gruppe von Studierenden der Weltraumwissenschaften an der Universität Tartu (Estland) entwickelt: Der 3U-CubeSat dient zur Demonstration der Plasmabremstechnologie für die Entfernung von Satelliten aus der Umlaufbahn und als Plattform für im fernen Weltraum bei künftigen Missionen eingesetzte Minisatelliten, die mit einem elektrischen Sonnensegel betrieben werden.
3. ANSER: Vom spanischen Institut INTA (Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial) entwickelte Mission, um die Qualität der Wasserreserven der Iberischen Halbinsel mit spektrometrischen Techniken zu untersuchen und zu überwachen. Dabei wird ein Cluster von 3X3U Cube-Sats in einer Formation in die erdnahe Umlaufbahn gebracht werden.

Das gesamte Raumfahrt-Ökosystem wird letztlich durch das IOD/IOV-Programm der Kommission unterstützt, wovon Universitäten und Forschungszentren bis hin zu KMU und Satellitenherstellern profitieren. Das IOD/IOV-Programm stützt sich auf europäische Startlösungen und fördert damit einen autonomen Zugang zum Weltraum. Es leistet einen entscheidenden Beitrag zur Initiative „CASSINI“ der Kommission, mit der die rasche Entwicklung von Neueinsteigern in der Weltraumwirtschaft gefördert wird.

Hintergrund
Für das IOD/IOV-Programm der Kommission wurde 2018 im Rahmen von „Horizont 2020“ der erste Aufruf zur Interessenbekundung veröffentlicht. Mehr als 50 Vorschläge wurden von verschiedenen europäischen Teilnehmern – von KMU bis hin zu großen Unternehmen, Hochschulen und Forschungseinrichtungen – eingereicht. Bei den ausgewählten Anwendungen handelt es sich um technologische Innovationen für Erdbeobachtung, Ortung, Navigation und Zeitgebung, Satellitenkommunikation und Weltraumwissenschaft. Im September 2020 ist das erste ausgewählte IOD/IOV-Experiment „UPMSat-2“ an Bord der Trägerrakete Vega erfolgreich angelaufen. Die drei neuen Missionen, die im Oktober 2023 eingeleitet wurden, gehören zu den ausgewählten Projekten.

Derzeit laufen parallel zwei Aufrufe zur Interessenbekundung für Experimente, die für IOD/IOV-Maßnahmen in Betracht kommen würden, die die Bündelung und gegebenenfalls den Start von Diensten und Operationen abdecken. Bewerbungen können für Folgendes eingereicht werden: 1) IOD/IOV-Experimente, die eine Bündelung erfordern und 2) einsatzbereite IOD/IOV-Satelliten. Weitere Informationen sind hier abrufbar.

Technologien, die mit SYNDEO-1-CubeSat erprobt werden müssen:

• Miniatursternsensor zur Lageregelung: Damit soll in der Umlaufbahn ein hochpräziser und kostengünstiger Miniatursternsensor zur Lageregelung getestet werden – Solar MEMS Technologies S.L. (KMU – Spanien).
• Demonstration eines hochpräzisen CubeSats als Lage- und Bahnregelungssystem: Damit soll ein hochpräziser und kompakter CubeSat als Lage- und Bahnregelungssystem (ADCS) mit neuartigen Sternsensoren und Reaktionsrädern validiert werden — KU Leuven (Universität – Belgien).
• Demonstration eines CubeSat-Sternsensors mit einer Genauigkeit im Bogensekundenbereich: Validierung eines Sternsensors, einschließlich eines neuartigen Sternsensoralgorithmus, neuartiger Kalibriermethoden im Orbit und Validierung der Platten zur Streulichtreduzierung und des optomechanischen Designs — KU Leuven (Universität – Belgien).
• RADIOX steht für „RADiation effects during In Orbit Flight eXperiment“ (Strahlungseffekte während des Flugexperiments in der Umlaufbahn): Zielt auf die experimentelle Überprüfung eines neuartigen Strahlungssensors ab. Der Strahlungssensor basiert auf einem elektronischen Speicher, in dem durch energetische Partikel verursachte Fehler überwacht werden. Die Strahlungsintensität wird durch die Messung der Anzahl der Fehler im Speicher ermittelt – KU Leuven (Universität – Belgien).

Technologien, die mit SYNDEO-2-CubeSat erprobt werden müssen:

• Spacepix Radiation Monitor (SXRM): Validierung und Qualifizierung des vollständig entwickelten Strahlendetektors in der Umlaufbahn auf der Grundlage von SpacePix ASIC in der Weltraumumgebung mittels eines Prototyps des Detektors zur Strahlenverfolgung in Originalgröße auf dem Strahlungsfeld im Orbit (Messung des Flusses von Elektronen, Protonen und schweren Ionen) – Esc Aerospace s.r.o (KMU – Tschechien).

• Charakterisierung von Niederfrequenzgeräuschen im Orbit mit Blick auf das magnetische Messsystem für LISA: Mit der IOD soll ein Teil des magnetischen Diagnosesystems für LISA, insbesondere der Magnetsensor und die damit verbundenen elektronischen Lärmminderungstechniken bei Frequenzen unterhalb des Millihertz-Bereichs, validiert werden — Universidad de Cádiz (Universität – Spanien).
• Demonstration von Plasma Jet Pack 0-30 W im Orbit: Das geplante Experiment besteht aus der IOD eines elektrischen Triebwerks (PJP Plasma-Jet Pack), wobei Metall (Wolfram) als Brennstoff verwendet und durch eine Magnetspule verstärkt wird. Das Triebwerk soll bei kleinen Satelliten (15-30 kg) zum Einsatz kommen – COMAT (KMU – Frankreich).

Weitere Informationen:
Factsheet

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• Triton + weitere Sats auf Vega (VV23)

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Quelle: Airbus Defence and Space 19. Mai 2022.

Friedrichshafen, 19. Mai 2022 – Airbus hat von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) den Auftrag erhalten, die Umsetzung von LISA (Laser Interferometer Space Antenna) weiter zu entwickeln. LISA ist eine der ehrgeizigsten wissenschaftlichen Mission, die die ESA bisher geplant hat. Mit der jetzt laufenden Phase B1 sollen der detaillierte Missionsentwurf und die abschließenden Technologie-Entwicklungsaktivitäten für das Gravitationswellen-Observatorium bis 2024 abgeschlossen sein, wobei der Start für die späten 2030er Jahre geplant ist.

Gravitationswellen wurden erstmals von Albert Einstein postuliert. Das sind Verzerrungen der Raumzeit und sie entstehen, wenn beispielsweise supermassereiche Schwarze Löcher verschmelzen, die Milliarden Mal schwerer sind als unsere Sonne, zusammenstoßen. Diese Ereignisse sind so stark, dass die entstehenden Gravitationswellen von hochempfindlichen Instrument in einer Entfernung von Milliarden von Lichtjahren gemessen werden können.

Um diese Wellen zu messen, besteht LISA aus drei Raumsonden, die tief im Weltraum ein gleichseitiges Dreieck bilden und 2,5 Millionen Kilometer voneinander entfernt sind. Die Gravitationswellen dehnen und stauchen die Raumzeit und verursachen kleinste Abstandsänderungen zwischen den LISA-Sonden (weniger als der Durchmesser eines Atoms). Jede Bewegung von Testmassen, die innerhalb der drei Raumsonden frei fallen, wenn eine Gravitationswelle vorbeizieht, kann von den empfindlichen Instrumenten der Raumsonden erfasst werden. LISA wird dies mit Hilfe von Laserstrahlen tun, die kontinuierlich zwischen den Satelliten hin- und herübertragen werden und dabei den Abstand zwischen den einzelnen Testmassen interferometrisch messen.

Einige der für LISA erforderlichen Schlüsseltechnologien wurden mit der von Airbus als Hauptauftragnehmer entwickelten und gebauten Mission LISA Pathfinder (LPF) erfolgreich im Weltraum getestet. Die Ergebnisse der Mission zeigten, dass LPF sogar noch präziser arbeitete als für LISA erforderlich. Die LPF-Mission startete am 3. Dezember 2015 und endete im Juli 2017.

Gravitationswellen sind eine neue Forschungsmethode, die die Schwerkraft anstelle von Licht nutzt, um dynamische Prozesse im Universum zu messen. Die Untersuchung von Gravitationswellen bietet ein enormes Potenzial für die Entdeckung von Teilen des Universums, die auf andere Weise unsichtbar sind. LISA wird unser Wissen über den Beginn, die Entwicklung und die Struktur unseres Universums erheblich erweitern. Gravitationswellen wurden in den letzten Jahren von bodengestützten Observatorien nachgewiesen – von Experimenten wie LIGO und dem europäischen Virgo-Observatorium, aber diese Einrichtungen sind in ihrer Größe und Empfindlichkeit begrenzt, was bedeutet, dass sie nur hochfrequente Gravitationswellen von bestimmten Quellen (wie verschmelzenden stellaren Schwarzen Löchern und Neutronensternen) nachweisen können.

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• LISA/NGO – New Gravitational wave Observatory

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Quelle: Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut).

13. September 2021 – Die Internationale Stiftung Balzan Preis zeichnet mit vier jährlich verliehenen Preisen Wissenschaftler*innen aus, die in ihrem Tätigkeitsbereich international anerkannte Leistungen erbracht haben. Buonanno teilt sich den mit 750.000 Schweizer Franken dotierten Preis mit Prof. Thibault Damour vom französischen Institut des Hautes Études Scientifiques (IHES). Die Preisverleihung wird am 1. Juli 2022 in Bern (Schweiz) stattfinden.

Die Balzan-Stiftung gab die Verleihung an Alessandra Buonanno und die weiteren Preisträg*innen heute in einem Internet-Livestream bekannt. Alessandra Buonanno und Thibault Damour werden „für ihre führende Rolle bei der Vorhersage von Gravitationswellensignalen geehrt, die durch das Umkreisen und die Verschmelzung zweier sehr kompakter Objekte wie z.B. Neutronensterne und schwarze Löcher entstehen. Ihre Arbeit war entscheidend für die Beobachtung und Interpretation von Gravitationswellen und lieferte eine äußerst genaue Bestätigung der allgemeinen Relativitätstheorie.“

„Ich freue mich sehr über diese hochkarätige Auszeichnung“, sagt Alessandra Buonanno, Leiterin der Abteilung „Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie“ am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI) in Potsdam. „Mich freut ganz besonders, dass das Preisgeld zur Hälfte in die Nachwuchsförderung fließen wird. Mir liegt die Förderung von jungen Wissenschaftler*innen sehr am Herzen; sie haben mit ihrem Engagement, ihrer Begeisterung und ihrer Kreativität ganz wesentlich zu den Erfolgen des neu entstandenen Forschungsgebiets der Gravitationswellen-Astronomie beigetragen. Die jungen, talentierten Forscher*innen sind unsere Zukunft!“ Die Statuten der Balzan-Stiftung schreiben vor, die Hälfte der Preissumme für Forschungsprojekte zu verwenden, an denen vorzugsweise junge Forschende beteiligt sind.

Alessandra Buonanno ist eine der führenden Theoretikerinnen im Bereich der Gravitationswellenphysik. Ihre Forschung zur Modellierung von Wellenformen haben wesentlich zum Nachweis und zur physikalischen Interpretation von Gravitationswellen beigetragen, die bei der Verschmelzung von Schwarzen Löchern und/oder Neutronensternen entstehen. Gemeinsam mit Thibault Damour entwickelte sie einen neuartigen Ansatz zur Untersuchung des Zweikörperproblems in der Allgemeinen Relativitätstheorie – die effektive Ein-Teilchen-Näherung –, um hochgenaue Wellenformmodelle zu berechnen. Buonanno ist eine der Pionierinnen der erfolgreichen Kombination von Methoden der Numerischen und Analytischen Relativität, mit dem Ziel, die zuverlässigsten und effizientesten Wellenformmodelle für Gravitationswellenmessungen zu entwickeln. Mit ihren Mitarbeiter*innen am AEI und an der University of Maryland entwickelt Buonanno auch Wellenformmodelle für die geplanten Gravitationswellen-Detektoren auf der Erde (das Europäische Einstein-Teleskop und Cosmic Explorer in den USA) und im Weltraum (Laser Interferometer Space Antenna/LISA).

Alessandra Buonanno studierte Theoretische Physik in Pisa und lehrte und forschte in Paris und an der University of Maryland, wo sie 2010 als Professorin berufen wurde. Sie ist Principal Investigator der LIGO Scientific Collaboration. Für ihre Beiträge zu den Entdeckungen von LIGO und Virgo wurde sie mit mehreren Preisen ausgezeichnet, darunter 2018 mit dem Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis – dem renommiertesten deutschen Forschungspreis – und 2021 mit der Galileo-Galilei-Medaille und der Dirac-Medaille. 2021 wurde sie zum Mitglied der Deutschen Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina, der US National Academy of Sciences und der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften gewählt. Buonanno ist Fellow der International Society on General Relativity and Gravitation und der American Physical Society. Sie hat eine Professur an der University of Maryland und Honorarprofessuren an der Humboldt-Universität zu Berlin und der Universität Potsdam inne.

Balzan-Preis

Die Internationale Stiftung Balzan Preis hat sich die weltweite Förderung von Kultur und Wissenschaften sowie von verdienstvollen Initiativen für Frieden und Brüderlichkeit unter den Völkern zum Ziel gesetzt. Die jährlich vergebenen Balzan-Preise werden in den Kategorien Geistes- und Sozialwissenschaften sowie Kunst als auch Physik, Mathematik, Naturwissenschaften und Medizin vom Preisverleihungskomitee ausgewählt. Die vier jährlichen Preise, zwei pro Kategorie, werden an Forscher*innen bzw. Künstler*innen vergeben, die in ihrem Tätigkeitsbereich international anerkannte Leistungen erbracht haben.

Seit 2001 müssen die Preisträger*innen laut Statuten die Hälfte der Preissumme für Forschungsprojekte verwenden, an denen vorzugsweise junge Wissenschaftler*innen beteiligt sind.

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• Gravitationswellen

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Quelle: Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut).

Mitte Juni 2018 hieß es „First Light!“ für ein neuartiges Laserinstrument in der Erdumlaufbahn. Das Laser Ranging Interferometer auf beiden Satelliten der deutsch-amerikanischen Geodäsie-Mission GRACE Follow-On wurde erstmals eingeschaltet. Gleich auf Anhieb konnten sich die 200 Kilometer entfernten Instrumente 490 Kilometer über dem Erdboden finden. Seitdem läuft das System zuverlässig und liefert hochpräzise Abstandsdaten im regulären Messbetrieb. Nun ziehen Forschende am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) und an der Leibniz Universität Hannover eine positive Bilanz der ersten drei Jahre und werfen einen Blick in die Zukunft.

First Light am 14. Juni 2018
Mit großer Spannung erwarteten die Forschenden vor drei Jahren, am 14. Juni 2018, das Einschalten ihres Instruments auf den GRACE-Follow-On-Satelliten, die nach einem Bilderbuchstart seit Mitte Mai 2018 die Erde hintereinander auf einer Bahn über die Pole umrunden. An den beiden Satelliten befinden sich münzgroße Löcher, eines zum Senden und eines zum Empfangen eines Laserstrahls. Eine Herausforderung lag darin den Laserstrahl durch diese Löcher über eine Distanz von etwa 200 Kilometern hin- und herzuschicken während die Satelliten mit rund 27.000 Kilometer pro Stunde um die Erde rasen. Das Kunststück gelang: Das Laser-Interferometer konnte praktisch unmittelbar nach dem Einschalten die wissenschaftliche Datenaufnahme beginnen. Seitdem wurden an etwa 870 Tagen Messdaten aufgezeichnet, wann immer die Satelliten und die anderen Instrumente dies erlaubten.

Mit dem Laserlicht werden Änderungen des 200 Kilometer Abstands zwischen den Satelliten auf rund einen Atomdurchmesser genau vermessen. Das ist rund 5000-mal präziser als die parallel eingesetzte etablierte Mikrowellen-Technik und auch 400-mal präziser als in der Missionsanforderung des Laserinterferometers spezifiziert. Aus den Messungen der Abstandsänderung lässt sich das Erdschwerefeld und dessen zeitliche Veränderungen ableiten. So lassen sich Indikatoren des Klimawandels wie abschmelzende Eismassen, sinkende Grundwasserspiegel und der steigende Meeresspiegel aus der Erdumlaufbahn überwachen.

Ein zuverlässiges und hochpräzises Messinstrument
Obwohl das Laser Ranging Interferometer nur als Technologiedemonstration mit einer minimal erforderlichen Laufzeit von drei Monaten angelegt war, sind auch nach drei Jahren keine Verringerung der Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit des Instruments und seiner Komponenten festzustellen. Das Interferometer sollte daher auch weitere Jahre wertvolle Messdaten liefern.

„Wir wissen nun, dass Laserinterferometer im All zwischen Satelliten über Jahre hinweg hochpräzise und sehr zuverlässig betrieben werden können“, sagt Gerhard Heinzel, Leiter der Arbeitsgruppe „Weltrauminterferometrie“ am AEI und Manager der deutschen Beiträge zum Laser Ranging Interferometer. „Besonders beeindruckend ist, dass wir mehr als 100 Tage dauernde Mess-Segmente von über 1500 Erdumläufen haben, in denen die Satelliten 60 Millionen Kilometer zurückgelegt haben, während denen die Laserverbindung nicht einmal unterbrochen wurde. Auch für LISA, das geplante Gravitationswellen-Observatorium im All ist dies ein wichtiges Ergebnis, denn wir haben für GRACE Follow-On LISA-Technologie eingesetzt. Sie funktioniert einwandfrei und dauerhaft.“

LISA ist eine geplante Satellitenmission unter Führung der ESA mit NASA-Beiträgen, die ab 2032 ins All starten könnte und dort vom Erdboden aus nicht nachweisbare niederfrequente Gravitationswellen messen würde. LISA wird dafür wie GRACE Follow-On laserbasierte Abstandmessungen zwischen Satelliten – allerdings über deutlich größere Entfernungen von 2,5 Millionen Kilometer – verwenden.

Neue Möglichkeiten zur Satellitendiagnostik
Aufgrund der enormen Empfindlichkeitssteigerung bei den Messungen der Abstandsänderungen durch das Laserinterferometer ergeben sich zudem ganz neue Möglichkeiten, das Verhalten des Satellitentandems besser zu verstehen. Bestimmte bisher rätselhafte kurze Ereignisse, die die Beschleunigungssensoren der Satelliten registrieren, lassen sich mit Hilfe der Daten des Laserinstruments durch Treffer von Mikrometeoriten von der Größe eines Staubkorns erklären. Auch können die Effekte von Schubdüsen zur Lageregelung der Satelliten aus den Abstandsdaten extrahiert werden.

Verbesserte Messungen des Erdschwerefelds
Welches Potenzial in den Messungen des Laserinstruments steckt, wird bei gleichzeitiger Anpassung der Analyse-Methoden mit zunehmender Messdauer sichtbar. Die höhere Auflösung der laserbasierten Abstandsmessungen sorgt für genauere Karten des statischen Schwerefelds der Erde. Sie bildet aber auch kurzfristige zeitliche Änderungen ab, die in den bisher monatlich veröffentlichten Schwerefeldkarten fehlten. Forschende vom AEI Hannover, der Leibniz Universität Hannover und vom Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) Potsdam werden in den nächsten Jahren gemeinsam die optimale Auswertungsstrategie der Messdaten des Laserinstruments untersuchen.

Der Blick in die Zukunft
„Wir haben nach drei Jahren Messbetrieb konkrete Ideen dafür, wie wir die nächsten Geodäsie-Mission in der Erdumlaufbahn noch einmal verbessern können“, sagt Vitali Müller, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe „Weltrauminterferometrie“ am AEI. „Zukünftige Erderkundungsmissionen könnten dann nur noch ein Laserinstrument wie das Laser Ranging Interferometer zur Abstandsmessung verwenden.“

„Nach dem großen Erfolg von LISA Pathfinder zeigt uns GRACE-Follow-On nun, dass ein weiterer Baustein – die Laserverbindung zwischen weit voneinander entfernten Satelliten – bereit für die LISA-Mission ist“, sagt Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik Hannover und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik an der Leibniz Universität Hannover. „Wir freuen uns, dass die Europäische Weltraumorganisation ESA die Entwicklung von bis zu zwei ähnlichen Missionen zur Messung des Erdschwerefelds und die dazugehörige Laser-Interferometrie vorantreibt. Mehrere gleichzeitig betriebene Satellitenpaare würden die Qualität der Erdschwerefeld-Karten erheblich verbessern.“

Wie beobachtet GRACE Follow-On Eis und Wasser auf der Erde?
Das GRACE-Follow-On-Satellitenpaar umrundet die Erde rund 490 Kilometer über ihrer Oberfläche. Die Satelliten folgen einander in einer Entfernung von 220 Kilometern in einer 90-Minuten-Bahn, die sie über die Pole der Erde führt. Der Abstand zwischen den Satelliten verändert sich aufgrund der Erdabplattung um einige Hundert Meter während jeden Umlaufs. Darüber hinaus gibt es weitaus kleinere Änderungen im Bereich von Mikrometern und Nanometern, verursacht durch die lokale Feinstruktur des irdischen Schwerefelds, die beispielsweise von Gebirgszügen, Eismassen und Grundwasserpegeln stammt.

Indem sie diese winzigen Veränderungen über Monate verfolgen, können die Forschenden das Abschmelzen von Eismassen in Grönland und der Antarktis, steigende Meeresspiegel, veränderte Grundwasserspiegel, Dürren und Überflutungen genau nachweisen und das Geoid definieren, das Grundlage globaler Höhenmessungen ist. Die neuartige Laser-Ranging-Interferometer-Technologie an Bord von GRACE Follow-On wird die Genauigkeit zukünftiger ähnlicher Missionen signifikant erhöhen und dadurch detailliertere Messungen des irdischen Schwerefelds und seiner Veränderungen mit der Zeit ermöglichen.

Warum ist GRACE Follow-On ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu LISA?
Das Laser Ranging Interferometer von GRACE Follow-On ist das zweite Laserinterferometer im All mit wichtigen Beitragen aus dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) und der Leibniz Universität Hannover. Das erste derartige Instrument war das 40 Zentimeter messende Interferometer der LISA-Pathfinder-Mission, das Schlüsseltechnologien für LISA, testete.

Nach dem geplanten Start wird die Laser Interferometer Space Antenna (LISA) ganz ähnliche Technologie wie GRACE Follow-On verwenden, um winzige Längenänderungen, diesmal aber über eine Entfernung von 2,5 Millionen Kilometer zu messen. Auf diese Weise wird LISA niederfrequente Gravitationswellen von Millionen Doppelsternsystemen in unserer Milchstraße, verschmelzenden extrem massereichen schwarzen Löchern im gesamten Universum und anderen exotischen Objekten nachweisen.

Wer ist an GRACE Follow-On beteiligt?
GRACE Follow-On ist ein Gemeinschaftsprojekt der NASA und deutscher Partner unter Federführung des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ. Es ist der verbesserte Nachfolger der erfolgreichen GRACE-Mission, die von 2002 bis 2017 im Betrieb war. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unter dem Kennzeichen 03F0654B gefördert.

Wer ist am Laser Ranging Interferometer beteiligt?
Das LRI ist eine Kooperation zwischen NASA und deutschen Partnern, unter Federführung des AEI in Hannover auf deutscher Seite. Das LRI-Konzept, seine Prototypen und die technischen Spezifikationen kommen vom AEI, dessen Forscher*innen intensiv an der Entwicklung und den Tests der Flughardware beteiligt waren. Die Entwicklung des LRI beruht auf der langjährigen Partnerschaft des AEI mit dem Jet Propulsion Laboratory der NASA. Da sich das Lasersystem bewährt hat, können zukünftige ähnliche Missionen routinemäßig Laser- anstelle der Mikrowelleninterferometer verwenden.

Die deutschen Beiträge zum LRI umfassen das gesamte optische System, bestehend aus einem Umlenkspiegel, gefertigt von Hensoldt (ehemals Zeiss) in Oberkochen, der optischen Bank von SpaceTech GmbH in Immenstaad, welche auf Industrieseite den gesamten deutschen LRI-Beitrag verantwortet, Optoelektronik vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) in Berlin-Adlershof sowie elektronischen Baugruppen von Apcon AeroSpace & Defence in Neubiberg bei München. Das DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen hat Instrumente zur Kalibrierung und für Tests entwickelt und geliefert. Gebaut wurden die beiden Satelliten im Auftrag der NASA bei Airbus Defence & Space in Immenstaad. Die Satelliten werden vom Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) in Oberpfaffenhofen bei München unter Auftrag des GFZ gesteuert.

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Quelle: Universität Hamburg.

Prof. Dr. Oliver Gerberding, leitender Wissenschaftler am Exzellenzcluster „Quantum Universe“ der Universität Hamburg, hat knapp 1,5 Millionen Euro Förderung für Technologieentwicklung beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt eingeworben. In den kommenden drei Jahren arbeiten er und sein Team an einem elektronischen Auslesesystem und optischen Aufbauten für die Bodenausrüstung des Gravitationswellendetektors LISA.

Die Laser Interferometer Space Antenna, kurz LISA, ist eine Mission der European Space Agency (ESA) mit Beiträgen der NASA. Im Gegensatz zu bereits existierenden bodengestützten Gravitationswellendetektoren wird LISA im Weltraum installiert. LISA besteht aus drei Satelliten, die der Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne in einer dreieckigen Anordnung mit etwa 2,5 Millionen Kilometern Abstand zueinander folgen.

Wie bodengestützte Detektoren basiert LISA auf der sogenannten Laserinterferometrie. Dabei werden zwei Laserstrahlen überlagert, die zuvor verschiedene Laufwege zurückgelegt haben. Mit dieser Methode lassen sich Dehnungen und Stauchungen der Raumzeit, sogenannte Gravitationswellen, nachweisen. Sie entstehen bei großen astrophysikalischen Ereignissen wie der Verschmelzung von Neutronensternen oder von Schwarzen Löchern.

Von der Gravitationswellendetektion mit LISA erhoffen sich Forschende weltweit neue wissenschaftliche Erkenntnisse über den Ursprung und die Entwicklung des Universums. „LISA wird ein neues Fenster in die Gravitationswellenastronomie öffnen und eines der größten und spannendsten Messinstrumente sein, das die Menschheit je gebaut hat“, erklärt Prof. Dr. Oliver Gerberding. „Wir werden in Hamburg künftig einen Beitrag zur LISA-Mission leisten und unsere nationalen und internationalen Partner dabei unterstützen, einen langlebigen Gravitationswellendetektor zu entwerfen, der hochpräzise Messergebnisse liefert.“

Mit den knapp 1,5 Millionen Euro vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, sollen technologische Komponenten für die Bodenausrüstung von LISA entwickelt werden – also jene Instrumente, mit denen die Funktionsweise von LISA vorab auf der Erde erprobt wird. Dazu gehören neben einem elektronischen Auslesesystem, dem sogenannten Phasenmeter, das die Phase des Laserlichts misst, auch optische Komponenten. Bei der Entwicklung des Phasenmeters werden Gerberding und seine Gruppe von der Maschine Strahlkontrollen-Abteilung des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY) als Unterauftragnehmer in dem DLR-finanzierten Forschungsprojekt unterstützt.

Die LISA-Mission wird durch ein internationales Konsortium vorangetrieben und ist eines von drei ausgewählten Projekten des Cosmic Vision Programm der ESA. Auch die NASA trägt maßgeblich zur LISA-Mission bei. Bisher verläuft die Vorbereitung der Mission nach Plan.

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Quelle: CRP Group.

Die Revolution, die durch die steigende Anzahl an derzeit hergestellten und in die Umlaufbahn gebrachten Kleinsatelliten eingeleitet wurde, versetzt die Raumfahrtindustrie in große Aufregung.

Die Technologien der additiven Fertigung unterstützen nicht nur diesen tiefgreifenden Wandel, sondern haben durch den Einsatz von hochleistungsfähigen Verbundwerkstoffen, mit deren Hilfe Strukturbauteile für Miniatursatelliten herstellt werden können, auch neue Ziele erreicht.

Obwohl noch viel Arbeit bevorsteht, um einen breit gefächerten Einsatz des professionellen 3D-Drucks in Raumfahrtanwendungen zu erreichen, hat CRP Technology umfangreiche Erfahrungen auf diesem Gebiet gesammelt und den weltweit führenden Unternehmen der Branche innovative Lösungen geliefert.

Ein aktuelles Beispiel ist die Zusammenarbeit zwischen CRP Technology und LISA.

Das in Modena ansässige Unternehmen mit über 25 Jahren Erfahrung in der Anwendung und Entwicklung von Technologien und Materialien für die additive Fertigung hat zusammen mit dem Interuniversitären Labor der Universität Paris-Est Créteil (Laboratoire InterUniversitaire des Système Atmosphérique; besser bekannt unter dem Akrostichon LISA) einen 3U CubeSat Kleinsatelliten im 3D-Druck hergestellt. Das Projekt wurde vom CNES und der Space Campus University betreut.

Ziel war es, einen CubeSat-Demonstrationssatelliten für den Flug in der erdnahen Umlaufbahn zu planen und zu bauen.

Die Ingenieure von LISA und CNES haben beschlossen, CRP Technology mit dem Bau des Kleinsatelliten zu beauftragen: „Wir wussten, dass wir mit dem Verfahren des Lasersinterns und der Familie der hochleistungsfähigen Verbundwerkstoffe von Windform® TOP-LINE“, so der Projektleiter von LISA, „von Projektbeginn an in der Lage sein werden, eine Struktur zu schaffen, die alle erforderlichen Kriterien erfüllt.“

Der Demonstrator musste in der Tat sowohl für Vibrationstests (die den Startwiderstand bestimmen) als auch für Thermalvakuum-Tests zur Kontrolle des Wärmezyklus geeignet sein.

Darüber hinaus musste er den Anforderungen in Bezug auf die Ausgasung gerecht werden.

„Das Projekt“, so der Projektleiter von LISA, „wurde unter Berücksichtigung all dieser Auflagen umgesetzt. Die Unterstützung von CRP Technology war für die Erreichung unserer Ziele ausschlaggebend. Mit den Werkstoffen Windform® TOP-LINE und dem Verfahren des selektiven Lasersinterns konnten wir auch die Masse reduzieren und die Integration von Teilen im Inneren des CubeSat optimieren.”

Die Struktur des CubeSat ist ein Schlüsselelement für den Erfolg des gesamten Projekts, da sie auch den Anforderungen der Startrampe in Bezug auf Abmessungen, Ebenheit und Rauheit, Ausgasung, UV-Beständigkeit, Wärmeausdehnung und andere allgemeine Auflagen in Bezug auf die Raumverhältnisse gerecht werden muss.

Die Aufgabe war schwierig, aber dank der langjährigen, in Zusammenarbeit mit den fortschrittlichsten Industriezweigen gesammelten Erfahrung im Bereich der additiven Fertigung nahm CRP Technology die Herausforderung an.

Die Tätigkeit der 3D-Druckabteilung von CRP Technology, die eng mit dem Ingenieurteam von LISA zusammen arbeitete, konzentrierte sich von Anfang an auf die Optimierung und Erreichung der geforderten Ziele.

Anschließend hat CRP Technology LISA und CNES bei der Auswahl der besten Technologie und des besten Materials für die Herstellung des Miniatursatelliten unterstützt, um den Erfolg des Projekts zu sichern: Die Ingenieure von LISA und CNES haben sich für das selektive Lasersintern und das Material Windform® XT 2.0 aus der Familie Windform® TOP-LINE entschieden.

Windform® XT 2.0 ist ein hochmodernes Material, das die vorhergehende Formel Windform® XT ersetzt hat.

Sobald CRP Technology die.STP-Datei mit den optimierten Geometrien erhalten hatte, hat es innerhalb kurzer Zeit die Struktur des Kleinsatelliten hergestellt.

Die im 3D-Druck hergestellte Struktur wurde anschließend den Kontroll- und Abnahmeverfahren unterzogen, die sie erfolgreich bestanden hat. Darüber hat sie die Anforderungen und Standards von LISA vollständig erfüllt.

Nachdem die Integration der verschiedenen Teile in die im 3D-Druck hergestellte Struktur abgeschlossen war, haben LISA und CNES weitere Kontrollen am Kleinsatelliten durchgeführt, wie z.B. den Thermalvakuum-Test und den Vibrationstest, und sich mit den erzielten Ergebnissen äußert zufrieden gezeigt.

Das Team von LISA hat erklärt: „Wir sind mehr als zufrieden und sind der Meinung, dass das kohlefaserverstärke Material Windform® XT 2.0 einen revolutionären Werkstoff für Kleinsatelliten und deren Entwicklung darstellt. Unser Traum? Dass die additive Fertigung zunehmend in der Raumfahrt eingesetzt wird.“

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA/JPL-Caltech. Vertont von Peter Rittinger.

Die physikalischen Größen, die man bisher am genauesten messen kann, sind Frequenz- und Gangunterschiede. Dies gilt sowohl für Radiosignale als auch für Licht. Ändert sich die Geschwindigkeit eines Radiowellen oder Licht aussendenden Körpers, so verschieben sich Frequenzen und Wellen geringfügig. Aus der Überlagerung zweier Signale kann man die Abweichungen heute bis auf 16 Stellen genau messen.

Dies reicht beispielsweise aus, um festzustellen, dass die Geschwindigkeit eines Sterns, der sich relativ zu uns mit einigen Kilometern pro Sekunde bewegt (um 10⁵ m/s), um einige Zentimeter pro Sekunde (10^-2 m/s) variiert. Geschehen diese Veränderungen periodisch, so kann man damit indirekt eine umlaufende Masse, also wahrscheinlich einen Planeten, nachweisen (Radialgeschwindigkeitsmethode). In unserem Sonnensystem verwendet man derartige Messverfahren, um an geringfügigen Änderungen der Trägerfrequenz eines Funksignals die Abbremsung oder Beschleunigung einer Raumsonde durch Unregelmäßigkeiten in der Masseverteilung eines kleinen Himmerskörpers (etwa Mars Express am Marsmond Phobos) oder die durch die Dichte der Hochatmosphäre eines Planeten verursachte Abbremsung eines Satelliten (etwa Venus Express bei der Venus) sehr präzise zu bestimmen.

Für die Suche nach Gravitationswellen sind diese Verfahren aber noch nicht genau genug. Hierfür benötigt man eine Präszision bis auf 21 Stellen. Geplant ist, Anfang des nächsten Jahrzehnts drei Raumsonden in einen der Erde nachlaufenden Orbit zu starten, die sich anschließend jeweils 5 Millionen Kilometer voneinander entfernen und dann relativ zueinander als Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks die Position halten. Danach senden Sie aufeinander LASER-Licht aus, das im Inneren der Raumsonden zur Überlagerung gebracht wird. Dadurch entsteht in jeder Sonde ein sogenanntens Interferenzmuster. Die Lichtwellen gleicher Wellenlänge überlagern sich und verstärken oder schwächen sich dabei.

Würden sich beide Lichtwellen in gleicher Phase überlagern, käme es zu maximaler Verstärkung (hell), ist die Phase um eine halbe Wellenlänge verschoben zu maximaler Schwächung (dunkel). Ansonsten liegt die Lichtintensität irgendwo dazwischen. Verändern die Raumsonden ihre Position zueinander nur langsam, dann ändert sich auch das Interferenzmuster nur allmählich. Kommt es jedoch zu einer plötzlichen Distanzänderung, z. B. durch Gravitationswellen, so ändert sich auch das Interferenzsignal schnell. Dies lässt sich messen. Bisher allerdings gingen diese geringfügigen Änderungen im sogenannten Rauschen unter.

Jetzt ist es Technikern am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena (USA) gelungen, dieses Rauschen soweit zu unterdrücken, dass die erforderliche Messgenauigkeit in greifbare Nähe rückt.

„Um Gravitationswellen nachweisen zu können, benötigen wir extrem genaue Messungen“, sagt Bill Klipstein, Physiker am Jet Propulsion Laboratory. „Unsere LASER erzeugen aber ein viel größeres Rauschen als die Signalestärke der zu messenden Größen beträgt. Also müssen wir dieses Rauschen sorgfältig unterdrücken, um ein klares Signal zu erhalten. Es ist ein bisschen so, als würden wir auf das Auftreffen einer Feder auf den Boden inmitten eines starken Platzregens lauschen.“

Gravitationswellen entstehen gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein, wenn große Massen im All beschleunigt oder gebremst werden. Ein indirekter Nachweis gelang 1974, als man zwei einander umkreisende Pulsare fand, deren Umlaufzeit sich stetig verringerte. Man schloss damals, dass die dabei entzogene Energie in Form von Gravitationswellen abgestrahlt wird. Dabei wird der Raum kurzzeitig um einige Picometer gestaucht und gestreckt. Ein Picometer ist der Millionste Teil eines Mikrometers und dieser wiederum der Millionste Teil eines Meters. Insgesamt findet man eine von Null verschiedene Zahl erst an der 12. Stelle nach dem Komma (10^-12 m). Die LISA-Raumsonden sollen einen Abstand von 5 Millionen Kilometern voneinander einhalten (10⁹ m). Insgesamt liegen 21 Größenordnungen dazwischen!

Ein direkter Nachweis von Gravitationswellen ist bisher auf der Erde noch nicht gelungen, obwohl es auch hier verhältnismäßig große Detektoren dafür gibt. Der derzeit größte ist GEO600 in der Nähe von Hannover. Hier wird seit 2005 LASER-Licht zur Interferenz gebracht, das zwei jeweils 600 Meter lange Röhren hin und zurück durchläuft. Offenbar ist die Genauigkeit der Messapparaturen nicht hoch genug, Gravitationswellen zu messen.

Dies könnte nun also ab 2020 mit den drei geplanten LISA-Sonden gelingen. Zuvor soll die noch in Entwicklung befindliche Technik ab etwa 2013 im Rahmen einer LISA Pathfinder genannten Mission evaluiert werden. LISA ist ein Gemeinschaftsprojekt der Europäischen Raumfahrtagentur ESA und der Raumfahrtagentur der USA, NASA.

Raumcon:

• LISA

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Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: NASA.

„Solche Verschmelzungen sind bei Weitem die energiereichsten Ereignisse im Universum, bei denen mehr Energie frei wird als alle Sterne zusammen genommen ausstrahlen“, sagte Joan Centrella, Leiterin des Gravitational Astrophysics Laboratory im Goddard-Weltraumzentrum der NASA. „Jetzt haben wir realistische Simulationen, an denen wir uns beim Bau zukünftiger Gravitationswellendetektoren orientieren können.“
Wenn zwei große Schwarze Löcher kollidieren, rasen Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen, die das gesamte All erzittern lassen wie einen Wackelpudding. Dies geht schon aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie hervor. Frühere Versuche, den Vorgang zu simulieren, wurden aber von Computerproblemen geplagt, denn die nötigen Gleichungen erwiesen sich als viel zu komplex. Einsteins Theorie basiert ursprünglich auf der Tensorrechnung, einem Teilgebiet der Mathematik, das sich nur mühsam in Computerbefehle umsetzen lässt: Selbst einfachste Tensorgleichungen benötigen schon Tausende von Zeilen Computer-Quellcode. Aber die Goddard-Forscher haben einen Weg gefunden, Einsteins Mathematik so zu transformieren, dass Computer sie „verstehen“ können, und damit war der Weg frei, darauf basierende Simulationen zu schaffen.

Die Ergebnisse der Forscher-Gruppe erschienen in der Ausgabe vom 26. März der „Physical Review Letters“. Hauptautor ist John Baker vom Goddard-Zentrum. Die dreidimensionalen Simulationen wurden auf dem viertschnellsten Supercomputer der Welt (Stand November 2005), dem „Columbia“ des NASA-Ames-Forschungszentrums durchgeführt. Es sind die größten astrophysikalischen Berechnungen, die je auf einem NASA-Supercomputer durchgeführt wurden, und sie liefern die Grundlage, das Universum auf eine vollkommen neue Art zu erforschen.

Wie nach einem Steinwurf in einen Teich breiten sich Gravitationswellen aus – aber natürlich nicht nur in einem zweidimensionalen Kontinuum wie es die Wasseroberfläche darstellt, sondern im Raum und in der Zeit gleichermaßen, also in einem vierdimensionalen Kontinuum, das Einstein „Raumzeit“ nannte. Dabei wechselwirken Gravitationswellen aber kaum mit Materie, die sie unterwegs vielleicht durchdringen: Ein Mensch würde während des Durchgangs einer solchen Welle durch seinen Körper noch nicht mal um die Größe eines Atoms wachsen beziehungsweise schrumpfen. Daher können Gravitationswellen mühelos die Staub- und Gasschleier durchdringen, die unsere Sicht auf Schwarze Löcher und andere Objekte verstellen, und dürften daher eine neues Sicht auf das Universum eröffnen und präzise Experimente zur Allgemeinen Relativitätstheorie ermöglichen.

Bisher konnten Gravitationswellen noch nicht direkt nachgewiesen werden. Mit dem erdbasierten Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory der National Science Foundation der USA und der vorgeschlagenen Laser Interferometer Space Antenna, einem gemeinsamen Projekt von NASA und ESA, hoffen Wissenschaftler die überraschend subtilen Wellen erstmals messen zu können.
Verschmelzungen von Schwarzen Löchern produzieren Gravitationswellen en masse, und das manchmal jahrelang, während die Schwarzen Löcher sich einander annähern und schließlich kollidieren. Schwarze Löcher sind Bereiche derart extremer Gravitation, dass nichts, selbst Licht nicht, ihrer Anziehung entkommen kann. Hierin liegt die Schwierigkeit, ein mathematisches Modell eines Schwarzen Loches zu generieren: Der Raum verzerrt sich, die Dichte der Materie wird unendlich groß und die Zeit kommt zum Stillstand. Solche Variablen sind es, die Computersimulationen zum Absturz bringen können.

Wenn sie kollidieren, produzieren die massiven Objekte Gravitationswellen von unterschiedlichen Wellenlängen und Stärken, in Abhängigkeit von der Größe der beteiligten Massen. Das Goddard-Team hat sich zunächst auf den Fall nicht rotierender Schwarzer Löcher gleicher Masse beschränkt, beginnend mit den letzten zwei bis fünf Orbits umeinander, bevor sie endgültig miteinander verschmelzen.

Bei jedem Simulationslauf orbitierten die Schwarzen Löcher stabil und produzierten identische Wellenformen vor, während und nach der Kollision – unabhängig vom Startpunkt. Diese Kombination von Stabilität und Reproduzierbarkeit unterschied die neuen Simulationen von früheren Versuchen und erhöhte das Vertrauen der Forscher in die Richtigkeit ihrer Transformation von Einsteins Gleichungen. Das Team hat mittlerweile die Simulation von Verschmelzungen Schwarzer Löcher ungleicher Masse in Angriff genommen.

Hier können Sie eine grafische Darstellung der Simulation sehen (MPEG 7,8 MB; Quelle: NASA).

Einige Ausschnitte:

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Ein Beitrag von dominikpuckert. Quelle: ESA.

Wissenschaftler untersuchen ein Weltraum-Phänomen, dass sich unseren bisherigen Vorstellungen von Schwerkraft nicht anzupassen scheint.

Gravitation ist eine der grundlegenden Naturkräfte, die das Universum um uns herum formt und das Zusammenspiel zwischen Planeten, Sternen und Galaxien verantwortet. Je mehr sich die Wissenschaft mit dem Thema befasst, desto mehr Fragen bleiben offen. Ein Beispiel ist Die sogenannte „Pioneer Anomalie“. Benannt nach den NASA-Raumsonden Pioneer 10 und 11, an denen ein Phänomen beobachtet wurde: Eine unbekannte Kraft bremste sie ab. Schon länger hat es den Anschein, als gebe es im Universum, „zu viel“ Gravitation. Forscher beobachten die Folgen von scheinbar unzuordnungsfähigen Gravitationskräften.
Manche Forscher schieben die herrenlose Gravitation auf die umstrittene Dunkle Materie, andere vermuten eine bisher unbekannte, schwache Naturkraft, die nur in den entferntesten Regionen des All wirkt. Eine dritte Position besagt, dass Gravitation in extremer Entfernung „einfach ein bisschen stärker zieht“, als bisher angenommen. Genaues weiß man nicht.

Die ESA hat dabei vor allem Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie im Visier, denn sie ist u.a. Grundlage der heutigen Gravitationsforschung. Eine Mission wird Einsteins so genanntes Äquivalenzprinzip hinzuziehen. Dieses besagt, dass alle Objekte von der Gravitation in der gleich schnell beschleunigt werden. Entdeckt die ESA Objekte, die dieses Modell verletzen, dann wäre dies der Beleg auf eine neue Art von Gravitation, die Quantengravitation

Mit dem Konzept einer Quantengravitation hoffen Astronomen Einsteins Relativitätstheorie mit den Gesetzen der Quantenphysik zu verknüpfen. Unserem bisherigen Wissen nach soll die Quantengravitation auf „Körnerstruktur“ des Weltalls zurückzuführen sein. Diese „Weltraumkörnchen“ soll Hyper, eine weitere Mission der ESA, untersuchen.

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