Quelle: AIP 3. August 2023.

3. August 2023 – Die Forschenden fanden heraus, dass Sterne mit stärkeren Magnetfeldern stärkere Winde erzeugen. Diese Winde können ungünstige Bedingungen für das Überleben von Planetenatmosphären schaffen und damit die mögliche Bewohnbarkeit dieser Systeme beeinträchtigen.

Die Sonne gehört zu den am häufigsten vorkommenden Sternen im Universum, die als „kühle Sterne“ bezeichnet werden. Diese Sterne werden in vier Kategorien unterteilt (Typ F, G, K und M), die sich in Größe, Temperatur und Helligkeit unterscheiden. Die Sonne ist ein ziemlich durchschnittlicher Stern und gehört zur Kategorie G. Sterne, die heller und größer als die Sonne sind, gehören zur Kategorie F, und K-Sterne sind etwas kleiner und kühler als die Sonne. Die kleinsten und schwächsten Sterne sind die M-Sterne, die aufgrund der Farbe, in der sie das meiste Licht aussenden, auch als „rote Zwerge“ bezeichnet werden.

Satelliten-Beobachtungen haben gezeigt, dass die Sonne neben Licht auch einen anhaltenden Strom von Teilchen aussendet, der als Sonnenwind bekannt ist. Diese Winde durchqueren den interplanetaren Raum und interagieren mit den Planeten des Sonnensystems, einschließlich der Erde. Das wunderschöne Schauspiel der Polarlichter in der Nähe der Pole wird durch diese Wechselwirkung erzeugt. Diese Winde können jedoch auch schädlich sein, da sie eine stabile Planetenatmosphäre zerstören können, wie es auf dem Mars der Fall war. Während über den Sonnenwind viel bekannt ist – unter anderem dank Missionen wie Solar Orbiter –, gilt dies nicht für andere kühle Sterne. Das Problem besteht darin, dass wir diese Sternwinde nicht direkt sehen können, so dass wir uns auf die Untersuchung ihres Einflusses auf das dünne Gas beschränken müssen, das den Raum zwischen den Sternen in der Galaxie füllt. Dieser Ansatz hat jedoch mehrere Einschränkungen und ist nur auf einige wenige Sterne anwendbar. Aus diesem Grund werden Computersimulationen und Modelle eingesetzt, um die verschiedenen Eigenschaften der Sternwinde vorherzusagen, ohne dass Astronominnen und Astronomen sie beobachten müssen.

In diesem Zusammenhang haben die Doktorandin Judy Chebly, der Wissenschaftler Dr. Julián D. Alvarado-Gómez und die Abteilungsleiterin Prof. Dr. Katja Poppenhäger aus der Abteilung Sternphysik und Exoplaneten am AIP in Zusammenarbeit mit Cecilia Garraffo vom Center for Astrophysics am Harvard & Smithsonian die erste systematische Studie der Eigenschaften von Sternwinden erstellt, die für F-, G-, K- und M-Sterne erwartet werden. Die numerischen Simulationen wurden mit den Supercomputern des AIP und des Leibniz-Rechenzentrums (LRZ) durchgeführt, wobei eines der anspruchsvollsten derzeit verfügbaren Modelle verwendet wurde.

Das Team untersuchte, wie sich die Eigenschaften der Sterne, wie Schwerkraft, Magnetfeldstärke und Rotationsdauer, auf die Windeigenschaften in Form von Geschwindigkeit oder Dichte auswirken.

Die Ergebnisse umfassen eine vollständige Charakterisierung der Eigenschaften des Sternwinds über alle Sterntypen hinweg, und zeigen, dass frühere Annahmen zu den Sternwindgeschwindigkeiten überdacht werden müssen, wenn die damit verbundenen Massenverluste aus Beobachtungen geschätzt werden. Darüber hinaus ermöglichen die Simulationen die Vorhersage der erwarteten Größe der Alfvén-Oberfläche – der Grenze zwischen der Korona des Sterns und seinem Sternwind. Diese Informationen sind von grundlegender Bedeutung, um festzustellen, ob ein Planetensystem möglicherweise starken magnetischen Stern-Planeten-Wechselwirkungen ausgesetzt ist, die auftreten können, wenn die Planetenbahn in die Alfvén-Oberfläche des Sterns eintritt oder vollständig darin eingebettet ist.

Ihre Ergebnisse zeigen, dass Sterne mit Magnetfeldern, die größer sind als die der Sonne, schnellere Winde haben. In einigen Fällen können die Sternwindgeschwindigkeiten bis zu fünfmal schneller sein als die durchschnittliche Sonnenwindgeschwindigkeit, die typischerweise 450 km/s beträgt. Im Rahmen der Untersuchung wurde ermittelt, wie stark die Winde dieser Sterne in den so genannten „habitablen Zonen“ sind, d. h. in den Entfernungen, in denen felsige Exoplaneten bei einem erdähnlichen atmosphärischen Druck flüssiges Wasser an der Oberfläche haben könnten. In der Nähe von Sternen des F- und G-Typs herrschen mildere Bedingungen, vergleichbar mit denen, die die Erde in der Nähe der G-Typ-Sonne vorfindet, während die Winde bei Sternen des K- und M-Typs zunehmend schroffer werden. Solch kräftige Sternwinde wirken sich stark auf eine mögliche Atmosphäre des Planeten aus.

Dieses Phänomen ist in der Sonnenphysik zwischen Gesteinsplaneten und der Sonne gut dokumentiert, aber nicht im Fall von Exoplaneten-Systemen. Dies erfordert Schätzungen des Sternwindes, um ähnliche Prozesse zu bewerten, wie wir sie zwischen dem Sonnenwind und den Planetenatmosphären beobachten. Informationen über den Sternwind waren bisher für Hauptreihen-Sterne der Klassen F bis M nicht bekannt, was diese Studie im Zusammenhang mit der Habitabilität wichtig macht. Die hier vorgestellte Arbeit wurde für 21 Sterne durchgeführt, aber die Ergebnisse sind allgemein genug, um auf andere kühle Hauptreihensterne angewendet zu werden. Diese Untersuchung ebnet den Weg für künftige Forschungen zur Beobachtung von Sternwinden und deren Einfluss auf die Erosion von Planetenatmosphären.

Über das AIP
Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

Originalveröffentlichung
Judy J Chebly, Julián D Alvarado-Gómez, Katja Poppenhäger, Cecilia Garraffo, Numerical quantification of the wind properties of cool main sequence stars, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 524, Issue 4, October 2023, Pages 5060–5079.
DOI: doi.org/10.1093/mnras/stad2100,
https://academic.oup.com/mnras/article/524/4/5060/7226714,
https://arxiv.org/abs/2307.04615;

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• Exoplaneten

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astrophysik.

24. März 2022 – Mit Hilfe der hochmodernen kosmologischen Simulation Thesan hat ein internationales Team von Wissenschaftlern das frühe Universum simuliert, als die ersten Sterne zu leuchten begannen. Durch die Kombination eines Modells der Galaxienentstehung mit der Interaktion von Sternenlicht mit Gas und Staub liefern die Simulationen ein Bild der kosmischen Reionisierung mit dem höchsten Detailreichtum und über das größte Raumvolumen, das je erstellt wurde.

Alles begann vor etwa 13,8 Milliarden Jahren mit dem „Urknall“. Bald darauf wurde das junge Universum kalt und dunkel – zumindest bis einige hundert Millionen Jahre später die Schwerkraft genug Materie zu den ersten Sternen und Galaxien zusammengeballt hatte. Das Licht dieser ersten Sterne erwärmte das umgebende Gas und verwandelte es in ein heißes, ionisiertes Plasma – eine wichtige Phase, die als „kosmische Reionisation“ bekannt ist und zu der komplexen Struktur führte, die wir heute im Universum sehen.

Mit einer neuen Simulation namens Thesan, die gemeinsam von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Astrophysik (MPA), des MIT und der Harvard University entwickelt wurde, können Wissenschaftler nun einen detaillierten Blick darauf werfen, wie sich das Universum während dieser entscheidenden Periode entwickelt haben könnte. Thesan, benannt nach der etruskischen Göttin der Morgenröte, soll die „kosmische Morgendämmerung“ und insbesondere die kosmische Reionisation simulieren. Die Rekonstruktion dieses Zeitraums ist eine große Herausforderung, da es sich dabei um äußerst komplizierte, chaotische Wechselwirkungen handelt, unter anderem zwischen Schwerkraft, Gas und Strahlung.

„Andere Simulationen konnten bisher nicht nachvollziehen, wie Galaxien das sie umgebende Gas im jungen Universum beeinflussen“, erklärt MPA-Wissenschaftler Enrico Garaldi seine Motivation, seit drei Jahren an diesem Projekt mitzuarbeiten. „Jetzt, nach all dieser Arbeit, freue ich mich, sagen zu können, dass Thesan die erste Simulation ist, die quantitativ erklärt, wie die ersten Galaxien das Gas in ihrer Umgebung verändern.“

Die Thesan-Simulation berechnet diese Wechselwirkungen mit der höchsten Detailgenauigkeit und über das größte Volumen aller bisherigen Simulationen. Dazu kombiniert sie ein realistisches Modell der Galaxienbildung mit einem Algorithmus, der die Wechselwirkung zwischen Licht und Gas verfolgt, sowie mit einem Modell für kosmischen Staub. Thesan hat einen Umfang von 300 Millionen Lichtjahren und simuliert eine Milliarde Jahre in der Entwicklung des Universums.

Bisher stimmen die Simulationen mit den wenigen Beobachtungen überein, die Astronomen vom frühen Universum haben. In dem Maße, in dem mehr Beobachtungen aus dieser Zeit gemacht werden, zum Beispiel mit dem kürzlich gestarteten James-Webb-Weltraumteleskop, kann Thesan dazu beitragen, diese Beobachtungen in den kosmischen Kontext einzuordnen.

„Thesan fungiert als Brücke zum frühen Universum“, sagt Aaron Smith, ein NASA-Einstein-Fellow am Kavli Institute for Astrophysics and Space Research des MIT. „Es soll als Simulation ein ideales Gegenstück für kommende Beobachtungseinrichtungen sein, die unser Verständnis des Kosmos grundlegend verändern werden.“

Um die kosmische Reionisation vollständig zu simulieren, versuchte das Team, so viele wichtige Bestandteile des frühen Universums wie möglich einzubeziehen. Sie starteten mit einem erfolgreichen Modell der Galaxienentstehung, das ihre Gruppen zuvor entwickelt hatten, Illustris-TNG. Dann entwickelten sie einen neuen Algorithmus, der berücksichtigt, wie das Licht von Galaxien und Sternen mit dem umgebenden Gas interagiert und dieses reionisiert.

„Thesan verfolgt, wie das Licht dieser ersten Galaxien in den ersten Milliarden Jahren mit dem Gas wechselwirkt und das Universum von neutral zu ionisiert umwandelt“, sagt Rahul Kannan vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. „Auf diese Weise können wir dem Reionisierungsprozess automatisch folgen.“ Schließlich erstellte das Team ein Modell für den kosmischen Staub und erhielt so ein Bild mit einzigartiger Genauigkeit für das frühe Universum. Dieses Modell soll beschreiben, wie winzige Materiekörnchen die Entstehung von Galaxien im frühen, dünn besiedelten Universum beeinflussen.

Nachdem das Team somit alle Bestandteile für die Simulation beisammen hatte, entwickelte es diese Bedingungen in der Zeit vorwärts und simulierte einen Ausschnitt des Universums. Dazu nutzten die Wissenschaftler den SuperMUC-NG am LRZ in Deutschland – einen der größten Supercomputer der Welt. 60.000 Rechenkerne führten hier gleichzeitig die Berechnungen von Thesan durch, was 30 Millionen CPU-Stunden entspricht (auf einem einzelnen Desktop-Rechner hätte dies 5.700 Jahre gedauert).

Die Simulationen ergeben das detaillierteste Bild der kosmischen Reionisierung über das größte Volumen des Weltraums aller existierenden Simulationen. Einige dieser Simulationen modellieren zwar große Entfernungen, aber mit relativ geringer Auflösung, während andere, detailliertere Simulationen keine großen Volumina abdecken.

„Wir haben diese Simulation nicht nur entwickelt, um selbst das frühe Universums besser zu verstehen, sondern für die gesamte Forschungsgemeinschaft“, betont Garaldi. „Deshalb werden wir bald die Simulationsdaten veröffentlichen, damit alle sie nutzen können! Die Simulation ist so reichhaltig und komplex, dass wir viele, viele Jahre brauchen würden, um sie vollständig zu analysieren.“

Originalveröffentlichungen

1. R. Kannan, E. Garaldi, A. Smith, R. Pakmor, V. Springel, M. Vogelsberger, L. Hernquist
   Introducing the thesan project: radiation-magnetohydrodynamic simulations of the epoch of reionization
   MNRAS, Volume 511, Issue 3, April 2022, Pages 4005–4030
   Source: https://arxiv.org/abs/2110.00584
2. Enrico Garaldi, Rahul Kannan, Aaron Smith, Volker Springel, Rüdiger Pakmor, Mark Vogelsberger, Lars Hernquist
   The thesan project: properties of the intergalactic medium and its connection to reionization-era galaxies
   Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 14 February 2022
   Source: https://arxiv.org/abs/2110.01628
3. A. Smith, R. Kannan, E. Garaldi, M. Vogelsberger, R. Pakmor, V. Springel, L. Hernquist
   The thesan project: Lyman-α emission and transmission during the Epoch of Reionization
   MNRAS, 24 March 2022
   Source: https://arxiv.org/abs/2110.02966

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• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

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Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena, Verfasser/in: Ute Schönfelder.

17. März 2022 – Sie gehören zu den extremsten und komplexesten Ereignissen des Universums: Kollisionen von Neutronensternen. Verschmelzen zwei dieser hochkompakten und massereichen Himmelskörper, wird die Raumzeit enorm verzerrt; die Materie erreicht Dichten und Temperaturen, die in keinem Laborexperiment reproduzierbar sind. Bei der Kollision werden hochenergetische Strahlung und Materie in den Weltraum geschleudert. Sie ist so heftig, dass sie von der Erde aus – selbst über Millionen Lichtjahre hinweg – sowohl als Gravitationswellen als auch als Licht beobachtet werden kann.

„Solche Ereignisse sind einzigartige astrophysikalische Laboratorien“, sagt Prof. Dr. Sebastiano Bernuzzi von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Der 40-jährige Forscher und sein Team vom Theoretisch-Physikalischen Institut entwickeln theoretische Modelle, mit denen sich die Dynamik solcher kosmischer Kollisionen nachvollziehen und Beobachtungsdaten erst erklären lassen. Für sein aktuelles Forschungsvorhaben „InspiReM“ wird Sebastiano Bernuzzi vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) mit einem sogenannten „Consolidator Grant“ gefördert und erhält dafür in den kommenden fünf Jahren knapp zwei Millionen Euro.

„Es ist das ambitionierteste Projekt meiner bisherigen wissenschaftlichen Karriere“, sagt Bernuzzi, der 2017 bereits mit einem ERC „Starting Grant“ gefördert wurde. Er fühle sich geehrt, dass sein Projekt nun zu den ausgewählten Vorhaben gehöre, denen der ERC die wichtigste Förderung und zugleich höchstdotierte Auszeichnung der EU für Spitzenforschende vergibt. „Ich bin begeistert und zugleich entschlossen, meine Forschung auf dem höchstmöglichen Level voranzutreiben.“

Mit Hilfe von Einsteins Relativitätstheorie Gravitations- und elektromagnetische Wellen vorhersagen
Bernuzzis Arbeitsgruppe an der Universität Jena gehört schon jetzt zu den führenden auf dem Gebiet der numerischen Simulation von Neutronensternverschmelzungen. Die Forschenden nutzen dafür die größten Supercomputer Deutschlands, etwa am Leibniz Supercomputing Centre (München) und an der HRLS (Stuttgart), um mit Hilfe von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie detaillierte Vorhersagen für Gravitationswellen und elektromagnetische Beobachtungen zu machen, die von solchen Ereignissen ausgehen. „Indem wir simulieren, was mit der Raumzeit während der Verschmelzung der Sterne passiert, können wir detaillierte Modelle für die Interpretation der Strahlung erstellen, die wir beobachten“. Erst kürzlich war Bernuzzi als Teil eines internationalen Teams an der Analyse von Daten beteiligt, die das NASA-Röntgenobservatorium „Chandra“ bei der Verschmelzung zweier Neutronensterne im Objekt GW170817 aufgenommen hat.

Mit dem Projekt InspiReM („Modeling binary neutron star from inspirals to remnants and their multimessenger emissions”) wollen sich Bernuzzi und sein Team nicht nur auf Gravitationswellen konzentrieren, sondern auch die Überreste vergangener Sternverschmelzungen und die von ihnen ausgehenden Materialausströmungen untersuchen. Die Bedingungen in diesen Ausströmungen sind einzigartig – dort entstehen schwere Elemente, wie Gold oder Uran.

Mit der ERC-Förderung kann Bernuzzi sein Team jetzt mit den besten Forschenden aus der ganzen Welt verstärken. Ein Teil der Gelder soll auch in weitere Hochleistungsrechentechnik für das Universitätsrechenzentrum fließen, ohne die seine komplexen Simulationen nicht möglich wären.

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: Raumfahrer Net e.V., ArianeGroup, Airbus Defence and Space, OHB System GmbH, GSOC/DLR, MPE, ESO, Stefan Goth.

Sonntag 26.05.2019 Anreisetag

Das Raumcon-Treffen 2019 startete am 26.05.2019 ab 14:00 Uhr mit dem Check-In in der Jugendherberge Dachau. Zunächst wurden die Zimmer bezogen und der Seminarraum raumfahrttypisch eingerichtet und dekoriert. Kurz nach 17 Uhr wurden alle Teilnehmerinnen und Teilnehmer durch Ilka Meuer, Mitglied im Vorstand des gemeinnützigen Vereins Raumfahrer Net e.V. und Hauptorganisatorin, begrüßt. Sie gab eine Einführung in das Programm und beantwortete alle offenen Fragen.

Das gemeinsame Grillen auf der Terrasse ab ca. 18:00 Uhr wurde zum Kennenlernen des einen oder anderen neuen Gesichts und ersten Fachgesprächen über aktuelle Themen aus Raumfahrt und Astronomie genutzt. Später konnte noch ein ISS-Transit beobachtet werden. Leider gelang es nicht den ersten Satz von 60 Starlink-Satelliten, die ein paar Tage vorher gestartet wurden, zu sichten. Die Frage, ob astronomische Beobachtungen wegen der gerade in Aufbau befindlichen neuen Satellitenkonstellationen, mit in einem Fall bis zu 12.000 zusätzlichen Objekten, erschwert oder gar unmöglich werden, führte zu kontroversen Diskussionen ohne endgültigem Ergebnis.

Montag 27.05.2019 (Ottobrunn/Taufkirchen)

Nach einem reichhaltigen Frühstück fuhren die Teilnehmerinnen und Teilnehmer am nächsten Tag in Fahrgemeinschaften nach Ottobrunn, genaugenommen nach Taufkirchen, um ab 10:00 Uhr die dortige Niederlassung von ArianeGroup GmbH und Airbus Defence and Space zu besichtigen. Obwohl es sich zwischenzeitlich um zwei getrennte Firmen handelt, befinden sie sich am gleichen Standort und nutzen auch einige Ressourcen gemeinsam.

Der Technologiecampus Ottobrunn, ein Luft- und Raumfahrtstandort, wurde nach dem zweiten Weltkrieg u.a. von Ludwig Bölkow (wieder) aufgebaut. Weniger bekannt ist, dass in der Nähe während des Nationalsozialismus Flugzeug- und Raketenantriebe getestet wurden. Für diese Tests wurden Insassen des Konzentrationslagers Dachau unter lebensgefährlichen, menschenverachtenden Bedingungen eingesetzt.

Empfangen wurden die Teilnehmerinnen und Teilnehmer durch Dietrich Häseler, der bei ArianeGroup beschäftigt ist. Geführt wurden wir dann durch Eugen Reichl, Autor zahlreicher Raumfahrtbücher und Mitarbeiter von Airbus Defence and Space.

Zunächst konnten wir das Mission Control Center für die europäischen ERDS-Satelliten (European Relay Data Satellite) besichtigen. Momentan befindet sich ERDS A als „hosted payload“ an Bord eines Eutelsat-Satelliten im geostationären Orbit. Diese Nutzlast wird von Ottobrunn aus kommandiert und überwacht. Hier wird als „Service“ der SpaceDataHighway zwischen LEO-Satelliten, ERDS-Satelliten und Bodenstation betrieben. Es wird als Übertragungstechnik Laserkommunikation verwendet. ERDS A verfügt über ein LCT (Laser Communication Terminal) und kann Daten von den vier Sentinel-Satelliten 1A, 1B, 2A und 2B, welche ebenfalls über je ein LCT verfügen, empfangen und per Ka-Band an die Bodenstation weiterleiten. Über ein LCT sind bis zu 1,8 Gbps möglich. Seit 2016 wurden über 20.000 Kommunikationsverbindungen hergestellt und rund 1,3 PByte an Daten übertragen. Von hier aus wird auch das Zusammenspiel zwischen Bodenstation, LEO-Satelliten und ERDS-Satelliten koordiniert.

ERDS C wird keine Nutzlast auf einem anderen Satelliten sein, sondern als eigenständiger Satellit im Juli diesen Jahres starten und ebenfalls, wie ERDS A, Europa, Afrika und den nahen Osten abdecken. ERDS B war ursprünglich als weitere „hosted payload“ geplant, wurde dann aber nicht realisiert, so dass diese Benennung ungenutzt bleibt. ERDS D soll bereits mit drei LCT ausgestattet sein und im pazifischen Raum platziert werden. Damit soll auch eine Kommunikation zwischen den ERDS-Satelliten realisiert werden können. Mit weiteren Satelliten will man schließlich eine globale Abdeckung erreichen. Die LCT werden von der Fa. Tesat-Spacecom GmbH & Co. KG geliefert.

Danach wurde die Führung bei Airbus Defence and Space in der Fertigung von Raketen- und Satellitenkomponenten fortgesetzt. Der Standort Ottobrunn ist das ArianeGroup-Kompetenzzentrum für die Entwicklung und Fertigung von Brennkammern für Raumfahrtantriebe von Trägerraketen und Satelliten. Derzeit werden hier die Brennkammer des Vulcain-2-Triebwerks für die Hauptstufe der Ariane 6 und die des Vinci-Triebwerks für deren Oberstufe sowie die Kryogenventile für beide Stufen entwickelt und gebaut.

In der Mittagszeit konnte die Kantine am Standort Ottobrunn besucht werden. Nach der Rückfahrt nach Dachau stand der Nachmittag zur freien Verfügung. Eine kleine Gruppe besuchte die Flugwerft in Schleißheim und nahm, neben den zahlreichen Flugzeugen, die übersichtliche Zahl der Raumfahrtexponate in Augenschein.

Um 18:00 Uhr trafen sich wieder alle in der Jugendherberge Dachau und genossen das Abendessen, anlässlich des wöchentlichen Veggie Day mit Käsespätzle.

Nach 19:45 Uhr folgten zwei Vorträge: Ein Teilnehmer referierte über die „Vinci Upper Stage Engine for Ariane 6“ und ein Teilnehmer berichtete über „Ariane 6 Oberstufe, Upper Liquid Propulsion Module“. Diese Vorträge rundeten den Besuchstag bei ArianeGroup und Airbus thematisch sehr gut ab.

Dienstag 28.05.2019 (Oberpfaffenhofen/Weßling)

Nach dem gemeinsamen Frühstück und der Fahrt nach Oberpfaffenhofen-Weßling begann der Besuchstag beim German Space Operations Center, GSOC des DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt). Die Organisationseinheit Missionsbetrieb führt im GSOC die operativen projektgesteuerten Arbeiten im Bereich der astronautischen und unbemannten Raumflugmissionen durch.

Herr Markus Trost ist dort zuständig für die Einrichtungen am Boden, u.a. auch für den technischen Betrieb des Kontrollzentrums zur Steuerung und Überwachung des europäischen Columbus-Moduls an der ISS. Herr Trost stellte die Funktion und den Aufbau des GSOC vor und führte durch das Gebäude. Neben der astronautischen Raumfahrt betreut das GSOC auch Satellitenmissionen, die durch das DLR finanziert werden, z.B. Eu:Cropis. Von der „Brücke“ konnte Einblick in vier verschiedene Kontrollräume, die für unterschiedliche Zwecke genutzt werden, genommen werden. Wegen des unersättlichen Wissensdursts der Besucher wurde kurzer Hand ein zweiter Besuch am Nachmittag vereinbart. Bereits um 11:30 Uhr war die Besichtigung bei der nebenan gelegenen OHB System AG angesetzt. Nach der Begrüßung folgte eine Führung durch das Gebäude mit Elektronikentwicklung, REXUS-/MAXUS-Labor (suborbitale Forschungsraketen) und Blick in den Reinraum. Dort wird derzeit u.a. ein Strukturmodell eines der zukünftigen Hauptinstrumente der Meteosat Third Generation (MTG) montiert.

Nach der Führung wurden wir in die Kantine von OHB zum Essen geladen. Danach folgte eine Präsentation zu den Meteosat Third Generation, MTG-Satelliten. Diese werden derzeit von OHB und Thales Alenia Space als Prime-Kontraktoren und zahlreichen Subkontraktoren entwickelt und gebaut. Die neue Wettersatellitenkonstellation für den geostationären Orbit, die von Eumetsat (European Meteorological Satellite Organisation) betrieben werden wird, soll aus vier MTG-I (Imager) und zwei MTG-S (Sounder) Satelliten bestehen. Die „Imager“ werden die Arbeit der vorhergehenden beiden Generationen fortführen und das Wettergeschehen im optischen Bereich, allerdings in deutlich höherer Qualität, abbilden. Die sog. „Sounder“ hingegen setzen neue hochauflösende Spektrometer ein, die es ermöglichen sollen die Verteilung der Feuchtigkeit in der Atmosphäre dreidimensional zu erfassen.

Neben den Satelliten-Bussen werden bei OHB auch ein Teil der wissenschaftlichen Instrumente entwickelt und gebaut. Nach heutigem Stand soll 2021 der erste MTG-I mit einer Ariane 5 gestartet werden. Der erste MTG-S soll 2022 folgen. Generell sind die Satelliten dafür ausgelegt mit Ariane oder mit Falcon 9 zu starten.

Die zweite Präsentation befasste sich mit der ESA-Forschungsmission Plato (PLAnetary Transits and Oscillations of stars). Es ist die dritte Mission der M-Klasse im Rahmen des Programms Cosmic Vision der ESA. Auch hier ist OHB als Prime-Kontraktor zusammen mit Thales Alenia Space für Entwicklung und Bau der Sonde, die am Lagrange Punkt 2 des Sonne-Erde-Systems stationiert werden soll, verantwortlich. Gestartet soll 2026 werden, um dann nach extrasolaren Planeten zu suchen, sowie diese und ihre Sonnen zu untersuchen. Wobei erdähnliche Planeten in der habitablen Zone von besonderem Interesse sind. Der Raumflugkörper wird dafür mit einem Array von 26 Teleskopen ausgestattet.

Nachdem am Morgen beim DLR die Zeit für alle Fragen zu knapp war, nutzten die Teilnehmerinnen und Teilnehmer die räumliche Nähe für einen zweiten Besuch im GSOC. Dort stand mit dem Leiter der Missionskontrolle ein weiterer kompetenter Ansprechpartner zur Verfügung, so dass keine noch so detaillierte und „verbohrte“ Frage unbeantwortet blieb.

Nach der Fahrt zurück und dem Abendessen in der Jugendherberge klang der Tag mit Diskussionen, einer Raumfahrt-Dokumentation und einem -Film aus.

Mittwoch 29.05.2019 (Garching)

Am Morgen ging es nach dem Frühstück in der Jugendherberge Dachau nach Garching zum Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE). Wegen einer Baustelle für eine Erweiterung des Max-Planck-Instituts für Physik gab es am Anfang bezüglich des Zugangs etwas Verwirrung. Aber eine freundliche Dame vom Max-Planck-Institut für Astrophysik zeigte uns den Weg durch das Gebäude zur richtigen Anlaufstelle. Dort wurden wir durch Frau Hannelore Hämmerle begrüßt. Sie hielt einen spannenden Einführungsvortrag über die Arbeit des MPE. Das MPE ist der experimentellen und theoretischen Erforschung des Raumes außerhalb der Erde und astrophysikalischer Phänomene gewidmet. Wobei die experimentelle Forschung im Vordergrund steht. Im Gegensatz dazu befasst sich das Institut für Astrophysik mehr mit den theoretischen Grundlagen und entsprechenden rechnergestützten Simulationen.

Danach folge Herr Bogensberger, der einen Einblick in die Röntgenastronomie gab. Das MPE war maßgeblich an der ROSAT-Mission beteiligt, welche als erste den gesamten Himmel im Bereich der Röntgenstrahlung abgetastet hat.
Derzeit wird intensiv an einem Nachfolger, eROSITA genannt, gearbeitet. Es wird vom DLR finanziert und das MPE ist das führende wissenschaftliche Institut, welches das Projektmanagement trägt. Dies geschieht in enger Zusammenarbeit mit anderen deutschen Instituten und dem IKI (Instituts für Weltraumforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften) in Moskau. Die Teleskopstruktur und die Röntgenkameras werden vom MPE entwickelt. Zusammen mit dem russischen Teleskop ART-XC soll eROSITA auf dem russischen Satelliten Spektrum-Röntgen-Gamma (Spektr-RG / SRG) voraussichtlich am 21.06.2019 mit einer Proton-M von Baikonur starten.
eROSITA soll über einen Zeitraum von vier Jahren den kompletten Himmel acht mal komplett abscannen. Es wird mit einer 20fach höheren Empfindlichkeit als bei ROSAT gerechnet.

Danach folgte eine Präsentation von Sebastiano von Fellenberg. Er berichtete über seine Forschungsarbeit, welche sich mit Infrarot-Beobachtung der Region um das supermassive Schwarze Loch (ca. 4 Millionen Sonnenmassen) im Zentrum unserer Milchstraße befasst. Dabei genießt ein junger Stern, S2 genannt, der auf seiner 16jährigen Umlaufbahn um das schwarze Loch diesem am nächsten kommt, größere Aufmerksamkeit. Auf seiner Bahn erreicht er bis zu 3% der Lichtgeschwindigkeit. Durch die Beobachtung von S2 konnte u.a. auch die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein erneut bestätigt werden.

An Hand einer Animation aus den aufgezeichneten Daten wurde auch gezeigt, dass das Schwarze Loch, genauer seine direkte Umgebung außerhalb des Schwarzschild-Radius, immer wieder im infraroten Licht stark aufleuchtet. Diese sog. Flares werden auf das Aufleuchten von Gas und Staub, welches kurz vor dem Verschlingen durch das Schwarze Loch, stark aufgeheizt wird, zurückgeführt.

Zum Abschluss des Besuchs beim MPE beantwortete Frau Hämmerle noch alle aufkommenden Fragen.

Die Mittagspause verbrachten die Teilnehmerinnen und Teilnehmer auf dem Gelände des Forschungs- und Hochschulcampus Garching.

Ab 14:00 Uhr wurde dann das Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) besucht. Das Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften ist das Hochschulrechenzentrum für die Ludwig-Maximilians-Universität (LMU), die Technische Universität München (TUM) und die Bayerische Akademie der Wissenschaften. Auch die Hochschule für angewandte Wissenschaften München (HM) und die Hochschule Weihenstephan-Triesdorf sowie zahlreiche weitere Wissenschaftsinstitutionen, die Bayerische Staatsbibliothek und der Bibliotheksverbund Bayern nutzen Leistungen des LRZ. Zusätzlich betreibt das LRZ Hochleistungsrechensysteme für alle bayerischen Hochschulen sowie einen nationalen Höchstleistungsrechner, der zu den leistungsfähigsten Rechnern in Europa zählt und allen öffentlichen deutschen Forschungseinrichtungen zur Verfügung steht.

Die generelle Einführung und die Vorstellung des Zentrums für virtuelle Realität und Visualisierung (V2C) übernahm Herr Rainer Oesmann vom LRZ. Dabei wurden Beispiele der Anwendung des SuperMuc-(NG) Hochleistungsrechensystems und der Visualisierung gezeigt, u.a. die Simulation der Magmaströme im Erdinneren und die Kontinentalbewegungen der letzten 200 Millionen Jahre als 3D-Animation. Danach hatten die Interessierten Gelegenheit sich in der sog. CAVE virtuell durch den Kaisersaal der Neuen Residenz Bamberg zu bewegen. Die CAVE ist ein würfelförmiger Raum bei dem auf drei Wände, Boden und Decke projiziert werden kann.

Herr Oesmann erläuterte die Geschichte und Funktion des LRZ und die grundsätzliche Projektkonzeption für die Anschaffung und den Betrieb eines Höchstleistungsrechners. Demnach wird ein neuer Hochleistungsrechner als Projekt für einen üblicherweise sechsjährigen Betrieb ausgeschrieben, allerdings in zwei Phasen installiert. Die ca. drei Jahre zwischen den beiden Phasen sorgen dafür, dass die in der zweiten Phase aufgestellten Racks deutlich weniger Flächenbedarf, bei gleichzeitig deutlich höherer Leistungsfähigkeit aufweisen.

Das LRZ versucht den Strombedarf der Superrechner durch Warm-Wasserkühlung zu minimieren. Das Wasser wird durch die Abwärme der Rechner von ca. 40°C auf 60°C aufgeheizt. Man nutzt diese Wärme zur Gebäudeheizung und zum Betrieb von Absorptionswärmepumpen, welche Kühlwasser für andere Anwendungen erzeugen. Überschüssige Wärme kann bei diesem Temperaturniveau über Kühler (ohne Kältemaschine) an die Umwelt abgegeben werden.

Donnerstag 30.09.2019

Für Donnerstag (Christi Himmelfahrt) war keine größere Raumfahrt-Exkursion eingeplant. Statt dessen stand der Tag eher im Zeichen von Erholung und Einkehr. Viele Teilnehmerinnen und Teilnehmer nutzten den Vormittag für einen Besuch der KZ-Gedenkstätte Dachau.

Am späteren Nachmittag referierte dann Steve Münker sehr ausführlich und eingehend über die Mission „Hayabusa 2“ der japanischen Raumfahrtbehörde Jaxa zum Asteroiden Ryugu. Die bisherigen Missionserfolge waren so umfangreich, dass der Vortrag nicht komplett abgeschlossen werden konnte. Statt dessen musste er zum Einbruch der Dunkelheit abgebrochen werden, denn ein besonderer Programmpunkt war für diesen Abend noch vorgesehen, nämlich Lagerfeuer mit Stockbrot! Hierzu wurden die mit dieser Sitte teilweise noch nicht so vertrauten extra durch einen neunjährigen Experten verstärkt! Dieser hatte für die für Freitag geplante Exkursion eine offizielle Schulbefreiung erwirkt und war bereits am Abend vorher angereist. Zu später Stunde konnte trotz fast geschlossener Wolkendecke ein ISS-Transit beobachtet werden, was für diesen Tag den würdigen Abschluss bildete.

Freitag 31.05.2019 (Garching)

Nach dem obligatorischen Frühstück und der erneuten Fahrt nach Garching, wurde diesmal am ESO Supernova, dem Planetarium und Besucherzentrum der ESO (Europäische Südsternwarte) geparkt. Im dortigen Foyer wurden wir von einem wissenschaftlichen Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts für Astrophysik empfangen, der früher als Student und Doktorand bei der ESO gearbeitet hat und jetzt gelegentlich als Führer bei der ESO tätig ist.

Er führte sowohl in Funktion und Geschichte der Organisation als auch des Hauptquartiers der ESO ein. Es besteht aus unterschiedlich alten Gebäudeteilen, die in kreisförmigen Gebäudestrukturen angeordnet sind. Immer wieder wird in der Architektur auf die Arbeit der ESO referenziert, z.B. entspricht der Durchmesser eines runden, neuen Gebäudes exakt dem Durchmesser des derzeit in Bau befindlichen Extremly Large Teleskop (ELT) von 39 Metern. So kann man sich angesichts der Größe des Gebäudes eine grobe Vorstellung von der Dimension des wissenschaftlichen Instruments, das gerade in Chile entsteht, verschaffen.

Bei der Besichtigung konnte auch ein Blick in den Reinraum der ESO geworfen werden. Dort wird derzeit ein Prototyp eines Spiegelelements des ELT getestet. Der Hauptspiegel des ELT (M1) wird aus 798 sechseckigen aluminiumbeschichteten Spiegelsegmenten bestehen. Insgesamt wird es fünf Spiegelebenen geben, wobei vier davon als aktive Spiegel ihre eigenen Massenverformungen und thermischen Verzerrungen durch diverse Aktuatoren ausgleichen können. Leider verschlechtern sich die optischen Eigenschaften der Aluminiumschicht relativ schnell. Daher geht man davon aus, dass im Betrieb täglich (!) mindestens zwei Segmente ausgetauscht werden müssen, um neu bedampft zu werden. Dazu wird es einige Reservesegmente geben, damit der Austausch jeweils während der Tagzeit abgeschlossen werden kann, so dass nachts uneingeschränkt beobachtet werden kann.

Der kleinste Spiegel M5 ist als Teil der adaptiven Optik in der Lage die durch die Atmosphäre erzeugten Verzerrungen auszugleichen. Mehrere Laser erzeugen hierzu in ca. 90 km Höhe in der Atmosphäre einen künstlichen Stern. Dessen über das Spiegelsystem aufgenommenen ungewollten Verzerrungen werden durch gezielte Verformung von M5 mehrere hundert mal pro Sekunde ausgeglichen. Diese Technologie wird bereits bei vielen bestehenden optischen Teleskopen, wie z.B. dem aus vier großen Einzelteleskopen bestehenden Very Large Telescope (VLT) der ESO angewendet.

Nach der Besichtigung des Hauptquartiers der ESO nutzten die Teilnehmer und Teilnehmerinnen die Möglichkeiten des Forschungs- und Hochschulcampus Garching für eine kurze Mittagspause.

Danach wurde die große Dauerausstellung im ESO Supernova besichtigt. Darin zeigt eine interaktive astronomische Ausstellung in 13 Themenbereichen „das Leben im Universum“. Auf der Website der Einrichtung wird diese hochinteressante und ansprechende Einrichtung wie folgt beschrieben: „Sie bringt den Besuchern scheinbar weit entfernte und abstrakte Themen näher, indem sie einen Bezug herstellt zwischen den Menschen und dem Universum, der Astronomie im Allgemeinen, dem Leben im Universum und unseren Beobachtungen des Universums mit Hilfe der ESO-Einrichtungen.“

Die durchgängig barrierefreie Ausstellungsfläche schraubt sich in einer Rampenspirale in dem extra dafür entworfenen Gebäude zunächst bis in den 2. Stock, um sich dann im zweiten Gebäudeteil bis ins Untergeschoss hinunterzudrehen.

Zusätzlich gibt es zur Zeit im Erdgeschoss die Sonderausstellung „Laser, Licht, Leben“. Sie gibt Einblicke in die Lasertechnologie von den Anfängen bis heute und beleuchtet visionäre Möglichkeiten ihrer Anwendung, einschließlich ihrer „Nutzung“ in der Science Fiction.

Den Abschluss des Besuchs bildete eine Vorführung im im Gebäude untergebrachten Planetarium, welches den über hundert möglichen Zuschauern auf der größten geneigten Kuppelprojektion in Deutschland, Österreich und Schweiz (als Planetariumsprojektion) auf 14 m Durchmesser eine digitale 360°-Projektion zeigt. Nach einer Live-Einführung in die Himmelsbeobachtung, Astronomie und den Sternenhimmel wurde der „Film“ „Von der Erde zum Universum“ gezeigt.

Nach der Rückfahrt zur Jugendherberge und dem Abendessen konnte Steve Münker seinen Vortrag über Hayabusa 2 abschließen, wobei diese Asteroiden-Mission ja noch andauert und hoffentlich noch viele spannende Erkenntnisse und Ereignisse bereithält.

Ein weiterer Teilnehmer aus dem Kreis des Raumcon-Forums hielt als thematischen Abschluss des Treffens einen Vortrag über „Klimageschichte“. Gerade in Zeiten in denen der menschengemachte Klimawandel praktisch für jeden spürbar wird, kann es für das Verständnis sehr hilfreich sein, über die historische Entwicklung des Klimas der Erde Bescheid zu wissen. Wobei sich der Vortrag im wesentlichen „nur“ auf die letzten rund 50 Millionen Jahre der Erdgeschichte beschränkte. Ursprünglich war es auf der Erde meistens deutlich wärmer als heute, da u.a. der CO2-Gehalt in der Atmosphäre durch Vulkanismus und andere Effekte deutlich höher war als heute. Damit lag auch der Meeresspiegel einige hundert Meter höher und einiges der heutigen Landfläche war überflutet.

Dass wir heute in deutlich „kälteren“ Zeiten leben liegt u.a. an Indien! Allerdings nicht als Land sondern als Sub-Kontinent. Durch die Kontinentalbewegungen ist der ursprünglich eigenständige indische (Sub-)Kontinent vor zig Millionen Jahren mit dem asiatischen Kontinent „zusammengestoßen“ und seit dem türmt sich immer mehr das Himalaya-Gebirge auf. Dieses und andere Hochgebirge (z.B. die Alpen) sind wiederum ein wichtiger Teil des Wasserkreislaufs. Eigentlich sind wesentliche Bestandteile dieser Gebirge nicht wasserlöslich, jedoch durch das aus der Luft im Wasser aufgenommene CO₂ entsteht Kohlensäure und damit werden wiederum Bestandteile des Materials ausgewaschen, binden dabei das CO₂ und lagern sich insbesondere am Meeresgrund ab. Einen Teil dieses Vorgangs kann man in Tropfsteinhöhlen beobachten, allerdings wird dort der aus dem Gestein gelöster Kalk als sichtbare Tropfsteine wieder abgelagert. Das CO₂ welches dauerhaft in Sedimentschichten eingelagert wird, fehlt auf Dauer im Luft-Wasser-Kreislauf und trägt somit auch nicht mehr zum Treibhauseffekt bei.

Deshalb kann man in den letzten 50 Millionen Jahren einen stetig abnehmenden CO2-Gehalt und damit auch sinkende Durchschnittstemperaturen „beobachten“. Dies bedeutet insbesondere, dass die Pole seit dieser Zeit fast durchgängig eisbedeckt sind.
Parallel dazu gibt es jedoch Effekte, die über einige zehn- bis hunderttausend Jahre hinweg größere Schwankungen verursachen, so dass die „bekannten“ Eiszeiten entstanden. Diese zyklischen Veränderungen werden u.a. auch auf Änderungen der Rotationsachse der Erde, Änderungen der Exzentrizität der Umlaufbahn um die Sonne und andere Einflüsse zurückgeführt.
Die letzte Eiszeit endete vor ca. 18.000 Jahren, bis dahin waren auch weite Teile der höheren Breiten z.B. auch weite Teile von Europa mit Eis bedeckt. Die aktuelle Warmzeit müsste nach den üblichen zyklischen Schwankungen ihr Maximum bereits überschritten haben, der gegenteilige Effekt ist jedoch zu beobachten. Eine wesentliche Ursache ist der Einfluss des Menschen. Vor rund 8.000 Jahren begann der Mensch mit Ackerbau, womit bereits eine Erhöhung des CO₂-Ausstoßes verbunden war. Der beginnende verstärkte Nass-Reisanbau hat zusätzlich zu einer Erhöhung des Methan-Anteils in der Atmosphäre geführt.

Allerdings, der Anstieg des CO2-Gehalts seit Beginn der Industrialisierung übertrifft dies alles bei weitem.

Zu später Stunde folgte dann ein Brainstorming über die Raumcon-Treffen 2020, 2021 und sogar 2022. Wobei Ziele und Termine erst bekannt gegeben werden, wenn verbindliche Buchungen getätigt wurden.

Danach fanden sich noch genügend Freiwillige um den Seminarraum aufzuräumen und die Raumfahrt-Bilder wieder abzunehmen.

Samstag 01.06.2019 Abreisetag

Am Samstag standen dann nur noch Frühstück, Zimmer räumen und verabschieden auf dem Programm. Abschließend ist insbesondere dem Organisationsteam, allen voran Ilka Meuer, den Gastgebern der Exkursionen, den Vortragenden, der Jugendgästehaus „Max Mannheimer Haus“ in Dachau und den Teilnehmerinnen und Teilnehmern für ein (wieder) wunderbar gelungenes und informatives Raumcon-Treffen 2019 zu danken!

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• Raumcon Treffen 2019 Ankündigung und Diskussion

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Quelle: DLR.

„Die Zusammenarbeit ist ein Meilenstein für die Münchner Wissenschaftslandschaft und den Forschungsstandort Bayern“, betonte Bayerns Wissenschaftsminister Bernd Sibler anlässlich der Unterzeichnung eines Kooperationsvertrages der beteiligten Partnereinrichtungen am 27. Mai 2019 in Garching bei München. „Diese Kooperation verdeutlicht, wie groß die Potenziale unserer Forschungseinrichtungen in Garching und Oberpfaffenhofen sind! Beide Institute leisten herausragende, international beachtete Arbeit. Ihr gemeinsames Projekt eröffnet nun völlig neue Möglichkeiten, um den globalen Wandel und seine Auswirkungen auf unsere Region umfassend zu erforschen. Für Politik und Gesellschaft ist das eine bedeutende Grundlage, um geeignete Rahmenbedingungen für eine lebenswerte Zukunft auf unserer Erde zu schaffen. Luft- und Raumfahrt, Supercomputing und Künstliche Intelligenz greifen dabei ineinander. Hier wird die Technik von morgen entwickelt!“ Mit der Zusammenarbeit bündeln DLR und LRZ ihre große Expertise in den Bereichen satellitengestützte Erdbeobachtung und Supercomputing.

„Wenn wir Prozesse des Globalen Wandels verstehen und seine Entwicklung nachvollziehen wollen, müssen wir in der Lage sein, die Daten unserer Satelliten im All bestmöglich auszuwerten“, sagte Prof. Hansjörg Dittus, DLR-Vorstand für Raumfahrtforschung und -technologie. „Die Kooperation zwischen DLR und LRZ wird es uns künftig ermöglichen, riesige Datenmengen mit neuesten Methoden hocheffizient und unabhängig zum Verständnis globaler Trends und deren Folgen zu analysieren. Beispiele dafür sind die international zunehmende Urbanisierung und Ausweitung der landwirtschaftlichen Nutzung zu Lasten naturbelassener Ökosysteme oder die rasanten Veränderungen in den polaren Gebieten der Erde und in der Atmosphäre, die ohne jede Frage nicht ohne Folgen auch für die Menschen sind. Für die Analyse bringen wir unsere Entwicklungen und Technologien der Raumfahrtforschung sowie eigene Sensordaten mit ein.“

Prof. Dieter Kranzlmüller, Leiter des LRZ, betonte: „Mit der Kooperation dieser beiden führenden Forschungseinrichtungen schließen sich zwei Partner zusammen, die sich in ihren Kompetenzen ideal ergänzen und entsprechende Expertisen, Mittel und Forschungsthemen gemeinsam einbringen. Das Leibniz-Rechenzentrum verfügt über eine ausgewiesene Erfahrung als innovativer IT-Dienstleister und Höchstleistungsrechenzentrum und ist zuverlässiger und leistungsstarker Partner für die Bayerischen Hochschulen und künftig auch für das DLR mit seinen Instituten in Oberpfaffenhofen.“

Riesige Datenmengen der Erdbeobachtung
Täglich liefern Erdbeobachtungssatelliten riesige Datenmengen in so hoher Auflösung, dass konventionelle Auswerteverfahren längst an ihre Grenzen gekommen sind. „Nur eine Kombination aus Online-Verfügbarkeit verschiedenster historischer und aktueller Datenbestände in Verbindung mit modernsten Höchstleistungsrechensystemen versetzt unsere Forscher in die Lage, globale Informationen in höchster Auflösung abzuleiten, die uns Aussagen über die Entwicklung des Planeten Erde ermöglichen. Bei der vollautomatischen Analyse spielen Verfahren der Künstlichen Intelligenz eine zunehmend entscheidende Rolle. Somit können wir Phänomene und Entwicklungen erkennen, wie es auf konventionellem Weg nur schwer möglich wäre.“ sagte Prof. Stefan Dech, Direktor des Deutschen Fernerkundungsdatenzentrums (DFD) des DLR. „Für die an der satellitengestützten Erdbeobachtung forschenden Institute des DLR in Oberpfaffenhofen besitzt diese Kooperation entscheidende Bedeutung. Wir können nun eine Vielfalt an methodischen und geowissenschaftlichen globalen Analysen durchführen, die bislang aufgrund der Datenmengen und limitierter Rechnerleistung nur exemplarisch möglich war. Besonders bedeutsam ist das gemeinsam zwischen DLR und LRZ entwickelte technologische Datenkonzept, das das LRZ mit dem Deutschen Satellitendatenarchiv des DLR in Oberpfaffenhofen verbinden wird und neben Online-Verfügbarkeit aktueller weltweiter Datenbestände auch historische Daten aus unserem Archiv sowie DLR-eigene Daten verbindet“, so Dech weiter.

Herausforderung für die Datenanalyse
Schon jetzt haben beispielsweise die Daten des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus die Schwelle von 10 Petabytes überschritten. 1 Petabyte entspricht dem Inhalt von etwa 223.000 DVDs – einer Menge, die ca. 3,5 Tonnen wiegen würde. Bis 2024 werden die Sentinel-Satelliten des Copernicus-Programms schon mehr als 40 Petabytes an Daten erzeugt haben. Diese werden ergänzt durch weitere Petabytes der nationalen Erdbeobachtungsmissionen wie die DLR-Radarsatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X oder der amerikanischen Landsat-Daten. Doch nicht nur die großen Datenmengen der Satellitenmissionen stellen die Wissenschaftler derzeit vor Herausforderungen, auch Daten zum Globalen Wandel, die in den sozialen Netzwerken veröffentlicht werden, sind wertvolle Quellen. Diese bringen allerdings neue Herausforderungen mit sich, da diese Daten sehr heterogen sind, ihr Wahrheitsgehalt nicht eindeutig ist und sie nicht in unbegrenzter Dauer zur Verfügung stehen.

Forscherinnen und Forscher des DLR setzen daher zunehmend Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) und des maschinellen Lernens ein, um Trends des Globalen Wandels und Analysen von Naturkatastrophen und ökologischen Zusammenhängen in globalen und regionalen Zeitreihen zu finden, die sich über Dekaden hinweg erstrecken. Diese Methoden erfordern es jedoch, dass die dazu notwenigen Daten auf hoch performanten Datenanalyse-Plattformen (HPDA = High Performance Data Analytics) online zur Verfügung stehen. Das technische Ziel der Kooperation ist deshalb der Aufbau einer solchen Plattform, die über das Deutsche Satellitendatenarchiv (D-SDA) des DLR in Oberpfaffenhofen und Daten-Verteilpunkte verschiedener Anbieter frei verfügbarer Satellitendaten Zugriff auf alle für die Forschung notwendigen Erdbeobachtungsdaten hat.

Das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum des DLR koordiniert die Aktivitäten der Kooperation für die beteiligten DLR-Institute: Neben dem DFD sind das Institut für Methodik der Fernerkundung, das Institut für Physik der Atmosphäre sowie das Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme in Oberpfaffenhofen beteiligt. Bei der Umsetzung der Technologie sind außerdem das Institut für Datenwissenschaften in Jena sowie die Einrichtung Simulations- und Softwaretechnik in Köln beteiligt.

Kooperation für den Globalen Wandel
In der Kooperation befasst sich das DLR mit Forschungsfragestellungen rund um das Thema Umweltveränderungen und Globaler Wandel, methodische und algorithmische Verfahrensentwicklungen im Bereich physikalische Modellierung und Künstliche Intelligenz (KI), dem Management von Langzeitarchiven und der Prozzessierung großer Datenbestände.

Das LRZ fokussiert in der Kooperation auf die Forschung und Umsetzung von operationellen, skalierbaren, sicheren und zuverlässigen IT-Diensten und Technologien, Optimierung von Prozessen und Verfahren, dem Supercomputing und Cloud Computing sowie der Nutzung von Verfahren der Künstlichen Intelligenz (KI) und Big Data. Dabei kommen auch die vorhandenen IT-Systeme des LRZ (u.a. der Höchstleistungsrechner SuperMUC-NG) und die Erfahrungen im energieeffizienten Höchstleistungsrechnen zum Einsatz.

Geplant ist die Realisierung der Online-Verfügbarkeit von etwa 40 Petabytes für Tausende von Rechenkernen. Durch gemeinsame Investitionen des DLR und des LRZ ist geplant, die erste Stufe des Ausbaus bis Ende 2020 zu realisieren. Die neue HPDA-Plattform wird in die bestehende Infrastruktur des LRZ in Garching integriert. Auf die größtenteils freien und offenen Daten der Plattform werden aber auch die Wissenschaftler der Bayerischen Universitäten und Hochschulen Zugriff haben.

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