Quelle: Paul Scherrer Institut (PSI) 5. April 2023.

5. April 2023 – Der Detektor soll unter anderem Aufschluss über die komplexen Strahlungsverhältnisse sowie die hochdynamische magnetische Umgebung des Jupitersystems liefern.

Jupiter ist der grösste Planet unseres Sonnensystems – ein Gasriese, dessen Masse etwa einem Tausendstel der Masse unserer Sonne entspricht. Mit seinen über 80 Monden wirkt er fast wie ein eigenes Sonnensystem. Mit der ESA-Mission JUICE sollen unter anderem seine drei grössten Trabanten – Ganymed, Kallisto und Europa – erforscht werden. JUICE steht für Jupiter Icy Moons Explorer, also die Erforschung Jupiters eisiger Monde. Unter deren dicker Eisschicht vermuten Forschende gigantische Ozeane und damit möglicherweise ausserirdisches Leben. Nebst fundamentalen Fragen zur Entstehung von Planetensystemen will die Mission somit auch herausfinden, ob Jupiters eisige Monde die nötigen Bedingungen für die Entstehung und längerfristige Existenz von Leben, so wie wir es kennen, bieten.

Etwa acht Jahre wird die Weltraumsonde unterwegs sein, bis sie das Jupitersystem erreicht. Danach beginnt die vierjährige Mission. Dafür ist die Sonde mit elf hochkomplexen Messinstrumenten ausgerüstet. Eines davon stammt vom PSI und wurde unter der Leitung von Wojciech Hajdas im Labor für Teilchenphysik entwickelt. RADEM nennt sich das unscheinbare Kästchen, das mit seinen drei Kilogramm und seinen kompakten Massen eher an eine kleine Autobatterie als an einen hochkomplexen Teilchendetektor erinnert. Doch der Schein trügt: «RADEM steht für Radiation-hard Electron Monitor, also ein strahlungsresistenter Elektronenmonitor, der in der harschen Jupiterumgebung hochenergetische Teilchen detektieren wird», erklärt Hajdas.

Inmitten Jupiters Strahlungsgürteln
Wie die Erde besitzt auch Jupiter einen rotierenden, flüssigen Metallkern, der ein Magnetfeld erzeugt. Gelangen geladene Teilchen wie Elektronen und Protonen in dieses Feld, so werden sie darin gefangen und auf spiralförmigen Bahnen um den Planeten beschleunigt. Im Vergleich zur Erde ist diese Beschleunigung um ein Vielfaches stärker, was in hochenergetischer Synchrotronstrahlung, einer speziellen Form von Röntgenstrahlung, resultiert. Als ob dies nicht genug wäre, werden durch vulkanische Aktivitäten, wie sie beispielsweise auf Jupiters Mond Io häufig vorkommen, zusätzlich Atome und Moleküle ins All geschleudert. Durch Kollisionen mit den Elektronen werden diese ionisiert – das heisst, sie erhalten eine elektrische Ladung und geraten dadurch ebenfalls in den Bann von Jupiters gigantischem Magnetfeld.

Nicht nur für uns Menschen wären solch infernalische Strahlenbedingungen absolut tödlich – auch für unbemannte Raumsonden und deren anspruchsvolle Elektronik stellen sie eine grosse Gefahr da. «Die Elektronik wurde teilweise explizit für diese Mission entwickelt und weist eine hohe Strahlenresistenz auf. Alle Geräte in der Sonde sind zudem speziell verkleidet, damit sie der extremen Belastung in Jupiters Strahlungsgürteln standhalten können», erklärt Hajdas. «Dennoch kann ein längerer Aufenthalt in gewissen Zonen zu Schäden führen.» Um dies zu verhindern, ist RADEM direkt mit dem Bordcomputer der Sonde verbunden. «Wenn die Strahlendosis gewisse Werte überschreitet, löst der Detektor ein Alarmsignal aus. Da Ausweichmanöver nur schwer durchführbar sind, können in solchen Fällen besonders sensitive Geräte ausgeschaltet und dadurch geschützt werden, bis die Strahlungswerte wieder innerhalb der zulässigen Grenzen liegen», so Hajdas.

RADEM dient jedoch nicht nur als Alarmglocke – seine weitere Mission besteht darin, die komplexen Strahlungsgürtel von Jupiter zu kartieren und Informationen über deren Umgebung und die darin enthaltenen Teilchen zu sammeln. «Das Jupitersystem ist absolut einzigartig – es zählt zu den strahlungsintensivsten Umgebungen im ganzen Sonnensystem; ein gigantischer, natürlicher Teilchenbeschleuniger», so Hajdas. «Dies bietet nicht nur einen vertieften Einblick in die Grundlagen der Physik – Modelle der dort herrschenden Wechselwirkungen können auch auf andere Systeme wie beispielsweise Sonnenaktivitäten und deren Einfluss auf die Strahlungsgürtel und die Magnetosphäre der Erde angewandt werden.»

Für seine Mission ist RADEM mit vier separaten Detektoren ausgestattet – für jede Teilchensorte einer: Elektronen, Protonen und schwere Ionen. «Der vierte Detektor registriert entweder Elektronen oder Protonen», erklärt Hajdas. «Mit einer Winkelabdeckung von etwa 35 Prozent lässt sich damit die Einfallsrichtung dieser Teilchen und damit die räumliche Verteilung der Strahlungsumgebung bestimmen.» All diese Daten müssen dabei innerhalb kürzester Zeit verarbeitet und gespeichert werden – alles auf engstem Raum, um das Gerät so leicht wie möglich zu gestalten.

Ausserirdisches Leben unter Eis und Strahlung?
Jupiters Strahlungsgürtel reichen mehrere Millionen Kilometer weit ins All – die höchsten Teilchendichten und -geschwindigkeiten wurden dabei rund 670.000 Kilometer um den Gasriesen innerhalb der Umlaufbahn von Jupiters Eismond Europa registriert. Auf den ersten Blick scheint es somit paradox, dass man ausgerechnet einen Mond, der sich etwa 780 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt in einer solch unwirklichen und eisigen Todeszone bewegt, als potenziellen Lebensraum für ausserirdisches Leben vermutet. Während die Strahlung jegliches Leben auf Europas Oberfläche unmöglich macht, könnte sie jedoch durch Wechselwirkungen mit der Eisschicht chemische Reaktionen hervorrufen, welche als Treibstoff für Leben dienen. Die tödliche Strahlung wäre somit in der Lage, mikrobielles Leben indirekt mit Energie zu versorgen – ganz ohne Fotosynthese oder dem Vorhandensein hydrothermaler Quellen.

«Durch die gesammelten Daten früherer Missionen und aus Beobachtungen von der Erde aus existieren viele Vermutungen und Berechnungen zur Existenz von Leben auf Jupiters Monden», erklärt Hajdas. «Mit JUICE sind wir in der Lage, das komplexe Jupitersystem besser zu verstehen. Es geht nicht darum, Leben zu finden, sondern darum, die Umgebung besser zu verstehen, um vielleicht auf einen möglichen oder unmöglichen Lebensraum zu schliessen.»

RADEM überwacht auch das Weltraumwetter
Während für die achtjährige Reise ein Grossteil der JUICE-Messgeräte ausgeschaltet bleibt, hat RADEM auch unterwegs eine Mission zu erfüllen; und zwar die Vermessung der Strahlungsumgebung des Sonnensystems und deren Zusammenspiel mit der Sonnenaktivität. «Zwischen Venus und Jupiter wird RADEM die Teilchenspektren und deren Dosen im Weltraum bestimmen und damit einen wichtigen Parameter für das sogenannte Weltraumwetter in dieser Region kartieren», erklärt Hajdas. Die Sonne schleudert permanent Teilchen ins All. Diese können nicht nur zu Strahlungsschäden an Satelliten führen, sondern auch das Magnetfeld der Erde stören. Schwankungen dieser Ströme können in elektrischen Leitungsnetzen zu Überspannungen und damit zu Ausfällen führen. «Die Aktivität unserer Sonne folgt einem regelmässigen Zyklus von etwa elf Jahren – in dieser Zeit pendelt sie zwischen einer Ruhephase und einer Phase gehäufter Sonnenstürme. RADEM soll helfen, diese Aktivitäten und ihren Einfluss auf unseren Planeten und auf künftige Missionen, wie beispielsweise eine etwaige bemannte Marsmission, besser zu verstehen», erklärt Hajdas.

Anders als ähnliche Expeditionen findet deshalb die JUICE-Mission während eines sogenannten solaren Maximums statt – also einer sehr aktiven Sonnenphase. Um die Funktionalität des Detektors während dieser Reise und vor allem auch während seines Aufenthalts im Jupitergürtel zu gewährleisten, musste man ihn im Laufe seiner Entwicklung mehreren Stresstests unterziehen. «Das PSI mit seinen Grossforschungsanlagen bietet einzigartige Möglichkeiten, die Strahlenbelastung im Weltall zu imitieren», erklärt der Teilchenphysiker. «Mit der Protonenbestrahlungsanlage PIF, der Protonenbeschleuniger HIPA sowie einer speziellen Vakuumkammer für Elektronen mit niedriger Energie, konnten wir Bedingungen wie im Weltall erzeugen und RADEM bestmöglich auf seine Mission vorbereiten.» Auch andere Forschungseinrichtungen, die an der Mission beteiligt sind, wie beispielsweise die Universität Bern, welche ebenfalls zwei Detektoren für JUICE entwickelt hat, brachten ihre Geräte für die Strahlentests ans PSI.

Mit seinen renommierten Grossforschungsanlagen hat das PSI einzigartiges Wissen im Hinblick auf Entwicklung und Betrieb von Teilchendetektoren hervorgebracht – Wissen, das nicht nur in den Laboren, sondern nun auch in den Weiten des Alls auf dieser wichtigen Mission seine Anwendung findet.

Text: Paul Scherrer Institut/Benjamin A. Senn

Über die JUICE-Mission
Nach etwa achtjähriger Reise soll die Weltraumsonde JUICE das Jupitersystem im Juli 2031 erreichen. Das System befindet sich knapp 780 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt – eine eiskalte und dunkle Welt. Die Temperaturanzeige auf der Oberfläche der Eismonde kann bis zu minus 140 Grad Celsius fallen.

JUICE wird zuerst den Mond Ganymed anpeilen – das Hauptziel der Mission. Ganymede ist etwa anderthalbmal so gross wie der Erdenmond und damit der grösste Mond im Sonnensystem. Es handelt sich auch um den einzigen Mond unseres Sonnensystems, der ein eigenes Magnetfeld generiert – die Wechselwirkung mit Jupiters Magnetosphäre ist hierbei von besonderem Interesse. Frühere Weltraummissionen und Modellrechnungen legen nahe, dass tief unter Ganymeds 150 Kilometer dicker Eisschicht ein Ozean liegt. Die Gravitationswechselwirkung mit Jupiter könnte Energie in Form von Wärme und damit die notwendige Bedingung für die Entstehung und längerfristige Existenz von Leben bieten. Zwölf Vorbeiflüge wird JUICE vollführen und sich dabei der Oberfläche bis zu 200 Kilometer nähern.

Auch der Mond Kallisto ist mit einer dicken Eiskruste bedeckt. Allerdings ist man hier nicht sicher, ob sich ebenfalls ein Ozean darunter verbirgt. Seine Kraterlandschaft lässt vermuten, dass keine geologische Aktivität vorhanden ist und es sich um eine der wohl ältesten Oberflächen im Jupitersystem handelt. Innerhalb von einundzwanzig Vorbeiflügen soll sich JUICE auch hier bis zu 200 Kilometer der Oberfläche annähern.

Wegen seiner harschen Strahlenumgebung sind für den Mond Europa bloss zwei Vorbeiflüge mit etwa 400 Kilometer Abstand zur Oberfläche geplant. Diese Oberfläche ist im Vergleich zu Kallisto viel jünger und wird permanent durch tektonische Aktivitäten verändert. Im Vergleich zu Ganymed ist die Eiskruste mit etwa 15 Kilometern Dicke viel dünner. Der gigantische Ozean, der darunter vermutet wird, soll mehr Wasser als alle Ozeane der Erde zusammen enthalten. Ähnlichkeiten mit der irdischen Tiefseeumgebung lassen vermuten, dass Europas Ozeane von mikrobiologischen Lebewesen bevölkert wird. Europa gilt als der vielversprechendste Fundort für Leben ausserhalb der Erde. Bei seinen zwei Vorbeiflügen wird JUICE versuchen, Proben von Meerwasser, das aus Rissen in der Eiskruste eruptiert, zu entnehmen, um es auf organische Moleküle zu untersuchen. Diese könnten auf die Präsenz von Leben hinweisen.

Nebst dem PSI unterstützt die Universität Bern als zweite Schweizer Institution die JUICE-Mission und entwickelte dafür den sogenannten Neutral-Ionen-Massenspektrometer NIM, um die Zusammensetzung der Mondatmosphären zu bestimmen.

Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Zukunftstechnologien, Energie und Klima, Health Innovation und Grundlagen der Natur. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2200 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 400 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

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Quelle: Paul Scherrer Institut (PSI) 27. März 2023.

27. März 2023 – «We are stardust, we are golden. We are billion-year-old carbon.» In ihrem Song Woodstock besangen Crosby, Stills, Nash & Young, woraus auch wir Menschen letztendlich zusammengesetzt sind: aus Sternenstaub. Wer sich in der Astronomie ein wenig auskennt, kann den Text der amerikanischen Kultband bestätigen – die Planeten und wir Menschen bestehen tatsächlich aus dem Staub ausgebrannter Supernovae und aus Milliarden Jahren alten Kohlenstoffverbindungen. Das Weltall ist ein riesiger Reaktor und wer diese Reaktionen versteht, versteht die Geburt und die Entwicklung des Universums – und woher wir kommen.

Ein Rätsel war bisher die Bildung von Fullerenen und deren Derivate im All. Das sind fußball-, schüssel- oder röhrchenförmige Moleküle aus Kohlenstoff, die erstmals in den 1980ern im Labor erzeugt wurden. 2010 fand das Infrarot-Weltraumteleskop Spitzer die C60-Fussballmoleküle, sogenannte Buckyballs, im planetarischen Nebel TC-1. Sie sind damit die größten Moleküle, die bisher im Weltraum außerhalb unseres Sonnensystems nachgewiesen wurden.

Aber wie entstehen sie dort? Ein Team von Forschenden aus Honolulu (USA), Miami (USA) und Tianjin (China) hat nun einen wichtigen Reaktionsschritt bei der Entstehung der Moleküle nachvollzogen – mit tatkräftiger Unterstützung des PSI und der Vakuum-Ultraviolett-Strahllinie der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS. «Das PSI bietet einzigartige Experimentiermöglichkeiten und deshalb haben wir uns für eine Kooperation mit Patrick Hemberger vom PSI entschieden», sagt Ralf Kaiser von der University von Hawaii in Honolulu, der international führende Forscher auf diesem Gebiet.

Ein Minireaktor für Fullerene
Patrick Hemberger, Wissenschaftler an der VUV-Strahllinie am PSI, hat einen Minireaktor aufgebaut, um die Bildung der Fullerene live beobachten zu können. In einem 1000 Grad Celsius heißen Reaktor wird ein Corannulenylradikal (C₂₀H₉) erzeugt. Dieses Molekül sieht aus wie eine Salatschale, in etwa so, als hätte man eine Schüssel vom C60-Fussballmolekül abgeschnitten. Dieses Radikal ist extrem reaktionsfreudig, wodurch es mit Vinylacetylen (C₄H₄) reagiert, welches am Rand der Schale eine Lage Kohlenstoff andockt. «Würde man diesen Prozess vielfach wiederholen, würde das Molekül zu einer Endkappe eines Nano-Röhrchens anwachsen, was wir durch Computersimulationen zeigen konnten», erklärt Alexander Mebel, Professor für Chemie an der Florida International University und einer der Autoren der Studie. Doch das war nicht das alleinige Ziel der Forschenden. «Wir wollten zeigen, dass diese Art der Reaktion überhaupt möglich ist», ergänzt Ralf Kaiser.

Bei der Reaktion entstehen verschiedene Isomere, das sind Moleküle, die alle die gleiche Masse haben, aber leicht unterschiedliche Strukturen. Mit der üblichen Massenspektrometrie liefern alle diese Varianten das gleiche Signal. Anders bei der Photoelektronen-Photoionen-Koinzidenz-Spektroskopie, die das Team hier verwendet hat. «Dort lässt die Struktur der Messkurve Rückschlüsse auf jedes einzelne Isomer zu», so Patrick Hemberger.

Dem Rätsel klassischer Fußballmoleküle auf der Spur
«Im Universum finden wir einen wilden Zoo aus Molekülen und chemischen Reaktionen – nicht alle lassen sich in den Signalen aus den Teleskopen eindeutig zuordnen», so Ralf Kaiser. Aus Modellen ist bekannt, dass es im All sowohl Corannulenyl als auch Vinylacetylen gibt. Nun konnte bestätigt werden, dass diese Moleküle tatsächlich Bausteine zu Fullerenen bilden. «Deshalb ist das Experiment am PSI so wertvoll für uns.»

Das ist aber mit der erfolgreichen Publikation in Nature Communications nicht abgeschlossen. In weiteren Experimenten wollen die Forschenden verstehen, wie sich im All die klassischen Buckyballs bilden, die fußballförmigen Fullerene mit 60 Kohlenstoffatomen sowie die röhrchenförmigen Nanotubes mit noch mehr Atomen.

(Text: Bernd Müller)

Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt große und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Zukunftstechnologien, Energie und Klima, Health Innovation und Grundlagen der Natur. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2200 Mitarbeitende, das damit das größte Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 400 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

Originalveröffentlichung
Gas Phase Synthesis of the C40 Nano Bowl C₄₀H₁₀
Lotefa B. Tuli, Shane J. Goettl, Andrew M. Turner, A. Hasan Howlader, Patrick Hemberger, Stanislaw F. Wnuk, Tianjian Guo, Alexander M. Mebel, Ralf I. Kaiser
Nature Communications, 18.03.2023
DOI: 10.1038/s41467-023-37058-y
https://www.nature.com/articles/s41467-023-37058-y
pdf: https://www.nature.com/articles/s41467-023-37058-y.pdf

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