Der Anfang vom Anfang war gemacht: Zu Beginn des 20. Jahrhunderts hatten Wissenschaftler herausgefunden, dass unser Universum nicht ewig und unveränderlich in all seiner Pracht existiert, sondern dass es in ferner Vergangenheit zunächst entstanden ist. Dieses Ereignis bezeichnen wir heute als Urknall – aber was ist dann passiert?

In dieser Folge erzählt Franzi die Geschichte eines Physikers namens Ralph Alpher, der herausgefunden hat, wie das Weltall und alles in ihm entstanden ist: wie die Materie in unser Universum kam, allen voran die beiden häufigsten chemischen Elemente Wasserstoff und Helium. Diese Urknall-Nukleosynthese ist bis heute eine der stärksten Hinweise darauf, dass das Universum in einem unvorstellbar heißen und dichten Zustand angefangen hat – und sie verrät uns außerdem, wie lange dieser Anfang vom Allem gedauert hat.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist ein Podcast der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• AstroGeo Podcast
• Urknall

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Quelle: Max-Planck-Institut für Physik.

14. April 2022 – Licht an, Licht aus – so könnte man das Verhalten der Nova beschreiben, die auf den Namen RS Ophiuchi (RS Oph) hört. Alle etwa 15 Jahre kommt es im Sternbild des Schlangenträgers zu einer dramatischen Explosion. Geburtsort einer Nova sind Systeme, in denen zwei sehr unterschiedliche Sterne in einer parasitären Paarbeziehung leben: Ein weißer Zwerg, ein kleiner, ausgebrannter und ungeheuer dichter Stern – ein Teelöffel seiner Materie wiegt ungefähr 1 Tonne – umkreist einen roten Riesen, einen alten Stern, der bald verglühen wird.

Der sterbende Riesenstern füttert den Weißen Zwerg mit Materie: Er stößt seine äußere Wasserstoffschicht ab, das Gas strömt auf den nahen Weißen Zwerg. Dieser Materiefluss hält an, bis der Winzling sich „überfrisst“ und zu heiß wird. Die Temperatur und der Druck in den neu gewonnen Sternhüllen sind dann so groß, dass sie in einer gigantischen thermonuklearen Explosion weggeschleudert werden. Der Zwergstern bleibt dabei erhalten und der Kreislauf beginnt von Neuem – bis sich das Spektakel wiederholt.

Explosion im hohen Energiebereich
Dass bei solchen Explosionen hohe Energien im Spiel sind, war vermutet worden. Die beiden MAGIC-Teleskope zeichneten Gammastrahlen mit dem Wert von 250 Gigaelektronenvolt (GeV) auf, mit die höchsten Energien, die je bei einer Nova gemessen wurden. Zum Vergleich: Die Strahlung ist hundert Milliarden Mal energiereicher als das sichtbare Licht.

MAGIC beobachtete die Nova nach Meldungen von Instrumenten, die auf andere Wellenlängen spezialisiert sind. „Der dramatische Ausbruch der Nova RS-Oph zeigt, dass sich die kurze Reaktionszeit der MAGIC-Teleskope auszahlt: Sie brauchen höchstens 30 Sekunden, um sich auf ein neues Ziel auszurichten“, sagt David Green, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Physik und einer der Autoren der Beitrags.

Nach der Explosion breiteten sich mehrere Stoßfronten im Sternwind des Roten Riesen und im interstellaren Medium aus, welches das Doppelstern-System umgibt. Diese Schockwellen sind ein natürlicher Teilchenbeschleuniger, also ein riesiges Kraftwerk, das Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit bringt. Die kombinierten Messdaten legen nahe, dass die Gammastrahlen von energiereichen Protonen, Kernen von Wasserstoffatomen, ausgehen.

Beschleunigte Protonen Teil der kosmischen Strahlung
„Damit kommen Nova-Ausbrüche auch als Quelle für die kosmische Strahlung in Frage“, erklärt David Green. „Allerdings spielen sie dabei eher die Rolle von Lokalmatadoren. Das heißt, sie tragen nur in ihrer unmittelbaren Umgebung zur kosmischen Strahlung bei. Die Hauptakteure der kosmischen Strahlung sind Supernova-Überreste. Die Schockwellen, die von dieser Art Sternexplosion ausgehen, sind bedeutend heftiger als bei einer Nova.“

Um das komplizierte Zusammenspiel von energiereichen Himmelsereignissen und dem interstellaren Medium in der Milchstraße vollständig zu verstehen, brauchen wir weitere Beobachtungen wie die aktuell veröffentlichten. Die MAGIC-Kollaboration wird daher auch in Zukunft Ausschau nach „unruhigen“ Objekten in unserer Galaxie – und darüber hinaus – halten.

Publikation
Proton acceleration in thermonuclear nova explosions revealed by gamma rays
The MAGIC Collaboration
Nature Astronomy
DOI: 10.1038/s41550-022-01640-z
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01640-z

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• Gamma Ray Bursts (GRBs)

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Quelle: DESY.

10. März 2022 – Mit Spezialteleskopen haben Forscherinnen und Forscher so detailliert in einen kosmischen Teilchenbeschleuniger geblickt wie nie zuvor. Die Beobachtungen mit dem Gammastrahlen-Observatorium H.E.S.S. in Namibia zeigen erstmals den zeitlichen Ablauf des Beschleunigungsprozesses in einer sogenannten Nova. Dabei handelt es sich um starke Eruptionen auf der Oberfläche eines Weißen Zwergsterns. Dabei entsteht eine Schockwelle, die sich durch das Umgebungsmedium pflügt, subatomare Teilchen mitreißt und diese auf extreme Energien beschleunigt. Erstaunlicherweise scheint die beobachtete Nova RS Ophiuchi aufgrund idealer Voraussetzungen Teilchenbeschleunigung am theoretischen Limit zu bewerkstelligen, wie das Team im Fachblatt „Science“ berichtet.

Weiße Zwerge sind ausgebrannte, alte Sterne, die in sich zusammengefallen sind und sehr kompakte Objekte bilden. Novae entstehen zum Beispiel, wenn ein Weißer Zwerg mit einem großen Stern in einem Doppelsystem kreist und aufgrund seiner Gravitation Materie von seinem massiven Begleiter aufsammelt. Überschreitet die aufgesammelte Masse eine kritische Grenze, kommt es zu einer thermonuklearen Explosion auf der Oberfläche des Weißen Zwergs. Manche Novae treten in regelmäßigen Abständen immer wieder auf. RS Ophiuchi ist eine solche wiederkehrende Nova; alle 15 bis 20 Jahre gibt es eine Explosion auf der Sternoberfläche. „Die Sterne, die das System bilden, haben in etwa den gleichen Abstand wie Erde und Sonne“, erklärt Alison Mitchell, Wissenschaftlerin an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und Leiterin des H.E.S.S.-Nova-Programms. „Als die Nova im August 2021 wieder explodierte, konnten wir mit den H.E.S.S.-Teleskopen zum ersten Mal eine galaktische Explosion in sehr hochenergetischer Gammastrahlung beobachten.“

Dabei registrierte die Forschungsgruppe, dass die Teilchen auf mehrere hundertmal höhere Energien beschleunigt wurden als bei zuvor beobachteten Novae. Außerdem wurde die von der Explosion freigesetzte Energie höchst effizient in die Beschleunigung von Protonen (Wasserstoffatomkerne) und schwererer Kerne umgewandelt. Dabei erreichte die Teilchenbeschleunigung die Maximalgeschwindigkeiten, wie sie in theoretischen Modellen berechnet werden. „Die Beobachtung, dass in kosmischen Schockwellen in der Realität das theoretische Limit der Teilchenbeschleunigung erreicht werden kann, hat enorme Auswirkungen für die Astrophysik“, sagt Ruslan Konno, einer der Hauptautoren der Studie und Doktorand bei DESY in Zeuthen. „Sie legt nahe, dass der Beschleunigungsprozess genauso effizient bei noch viel extremeren kosmischen Explosionen – den sogenannten Supernovae – sein könnte.“

Bei der Eruption von RS Ophiuchi konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Nova in Echtzeit mitverfolgen und so zum ersten Mal die kosmische Teilchenbeschleunigung wie einen Film beobachten und studieren. H.E.S.S. konnte höchstenergetische Gammastrahlen noch bis zu einen Monat nach der Explosion messen. „Diese Art der Beobachtung ist neu und erlaubt in Zukunft noch genauere Einblicke in die Funktionsweise kosmischer Explosionen“, sagt Dmitry Khangulyan, Theoretiker an der Rikkyo Universität in Tokyo, Japan. „So könnte es zum Beispiel sein, dass Novae zur allgegenwärtigen Kosmischen Strahlung beitragen und damit die Dynamik ihrer unmittelbaren Umgebung wesentlich beeinflussen.“ Bei der sogenannten Kosmischen Strahlung handelt es sich um einen Hagel energiereicher subatomarer Teilchen, der aus allen Richtungen des Weltalls gleichmäßig kommt, und dessen genaue Ursprünge noch nicht vollständig geklärt sind.

Das Observatorium H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) in Namibia besteht aus fünf sogenannten Cherenkov-Teleskopen, die zur Untersuchung von Gammastrahlung aus dem Weltraum eingesetzt werden. Im größten Teleskop wurde eine neue, hochsensible Kamera installiert, eine sogenannte FlashCam, die dem neusten Stand der Technik entspricht. Solche FlashCams werden derzeit auch für das Gammastrahlen-Observatorium der nächsten Generation weiterentwickelt, das Cherenkov Telescope Array (CTA). „Die neue Kamera ist seit Ende 2019 in Betrieb. Diese Messung zeigt, welches Potenzial in den Kameras der neuesten Generation steckt“, betont Simon Steinmaßl, Doktorand am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, der mit der Analyse der Kameradaten betraut ist.

Die Teleskope wurden schnellstmöglich auf die Nova ausgerichtet, nachdem das Ereignis von einem Hobbyastronomen gemeldet wurde. Auch diese schnelle Reaktion trug zum Erfolg der Beobachtung bei und ermöglichte umfangreiche Nachbeobachtungen. „In den nächsten Jahren wird sich durch Forschung mit CTA-Teleskopen zeigen, ob diese Art von Novae besonders sind“, erklärt H.E.S.S.-Direktor Stefan Wagner, Professor an der Landessternwarte in Heidelberg. Zudem wissen Beobachtende nun genauer, wonach sie suchen müssen. Somit ergeben sich eine Vielzahl an neuen Möglichkeiten, die Geschehnisse im Zusammenhang mit Novae besser zu verstehen und beschreiben, betont Wagner. „Diese Messung stellt einen weiteren Erfolg in der Gammaastronomie dar und lässt uns hoffen, noch viele weitere kosmische Explosionen mit H.E.S.S. und zukünftigen Gammastahlen-Teleskopen zu studieren.“

Über HESS
Das High Energy Stereoscopy System H.E.S.S. ist ein System von fünf abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen zur Erforschung der kosmischen Gammastrahlung. Das Observatorium wird in einer internationalen Kooperation betrieben. Die Teleskope befinden sich in Namibia, in der Nähe des Gamsbergs, einer Gegend, die für ihre hervorragende optische Qualität bekannt ist. Vier H.E.S.S.-Teleskope wurden 2002/2003 in Betrieb genommen, das viel größere fünfte Teleskop – H.E.S.S. II – ist seit Juli 2012 in Betrieb, erweitert die Energieabdeckung in Richtung niedrigerer Energien und verbessert die Empfindlichkeit weiter. An H.E.S.S. sind mehr als 230 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von 41 Instituten aus 15 Ländern beteiligt.

Originalveröffentlichung
Detection of TeV gamma-ray emission from the recurrent nova RS Oph in its 2021 outburst; The H.E.S.S. collabroation; „Science“, 2022; DOI: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn0567

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• H.E.S.S. Teleskope

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Quelle: BASE-Kollaboration, JGU.

5. Januar 2022 – In Nature berichtet die BASE-Kollaboration am CERN über den weltweit genauesten Vergleich zwischen Protonen und Antiprotonen: Die Verhältnisse von Ladung zu Masse von Antiprotonen und Protonen sind auf elf Stellen identisch. Diese neue Messung verbessert die Genauigkeit des bisher besten Werts um mehr als einen Faktor vier. Der über einen Zeitraum von eineinhalb Jahren gesammelte Datensatz ermöglicht außerdem einen Test des schwachen Äquivalenzprinzips, das besagt, dass sich Materie und Antimaterie unter Schwerkraft gleich verhalten.

Symmetrie und Schönheit sind eng miteinander verbunden, nicht nur in der Musik, der Kunst und der Architektur, sondern auch in den grundlegenden physikalischen Gesetzen, die unser Universum beschreiben. Es ist in gewisser Weise ironisch, dass wir unsere Existenz einer gebrochenen Symmetrie in der besten fundamentalen Theorie, die es gibt, dem Standardmodell (SM) der Teilchenphysik, zu verdanken scheinen. Einer der Eckpfeiler des SM ist die Invarianz bei Umkehr von Ladung, Parität und Zeit (CPT). Auf die Gleichungen des SM angewandt, verwandelt die CPT-Transformation Materie in Antimaterie. Als Folge der CPT-Symmetrie haben Paare von Materie und Antimaterie die gleichen Massen, Ladungen und magnetischen Momente, die beiden letzteren mit entgegengesetztem Vorzeichen. Eine weitere Folge von CPT: Trifft ein Teilchen auf sein Antiteilchen, vernichten sie sich zu reiner Energie, was in zahlreichen Laborexperimenten bestätigt wurde. In diesem Sinne ist die Existenz unseres Universums keineswegs selbstverständlich. Wir haben Grund zu der Annahme, dass beim Urknall Materie und Antimaterie in gleichen Mengen entstanden sind. Warum nur die Materie übrig blieb, aus der unser Sonnensystem und die Himmelskörper im Universum bestehen, ist noch ungeklärt.

Ein weiteres heißes Thema in der modernen Physik ist die Frage, ob sich Materie und Antimaterie unter Schwerkraft gleich verhalten. In ihrem neuen Artikel vergleichen die BASE-Wissenschaftler die Ladung-zu-Masse-Verhältnisse von Antiprotonen und Protonen sowie – während des Umlaufs der Erde um die Sonne – die Ähnlichkeit von Uhren aus Antimaterie und Materie. Sie sind also beiden Fragen gleichzeitig mit einer Messung nachgegangen.

Haben Proton und Antiproton wirklich die gleiche Masse?
Für seine hochpräzisen Untersuchungen verwendete das Team um Stefan Ulmer, leitender Wissenschaftler am RIKEN in Japan und Sprecher der BASE-Kollaboration, eine Penning-Falle, also einen elektromagnetischen Behälter, der ein einzelnes geladenes Teilchen speichern und nachweisen kann. Ein Teilchen in einer solchen Falle schwingt mit einer charakteristischen Frequenz, die durch seine Masse definiert ist. „Abhören“ der Schwingungsfrequenzen von Antiprotonen und Protonen in derselben Falle ermöglicht es, deren Massen zu vergleichen. „Durch Beladen eines zylindrischen Stapels mehrerer solcher Penning-Fallen mit Antiprotonen und negativen Wasserstoffionen konnten wir einen Massenvergleich innerhalb von nur vier Minuten durchführen, also 50 Mal schneller als bei früheren Proton/Antiproton-Vergleichen anderer Gruppen“, erläutert Stefan Ulmer. „Seit unseren früheren Messungen haben wir außerdem den Versuchsaufbau technisch erheblich verbessert. Dies erhöht die Stabilität des Experiments und verringert systematische Verschiebungen in den Messwerten.“ Mit diesem optimierten Instrument hat das BASE-Team im Verlauf von eineinhalb Jahren einen Datensatz von rund 24.000 einzelnen Frequenzvergleichen erfasst. Durch Kombination aller Messergebnisse fanden die Forscher, dass das Ladung-zu-Masse-Verhältnis von Antiprotonen und Protonen identisch ist, und zwar mit einer Genauigkeit von 16 Teilen in einer Billion, also einer Zahl mit 11 signifikanten Stellen. Das verbessert die Genauigkeit der bisher besten Messung – ebenfalls von BASE – um mehr als einen Faktor vier: ein erheblicher Fortschritt in der Präzisionsphysik.

Und wie kommt nun die Schwerkraft ins Spiel?
Ein Teilchen, das in einer Penning-Falle schwingt, kann man als „Uhr“ betrachten, ein Antiteilchen als „Anti-Uhr“. Bei starker Gravitation gehen die Uhren schneller. Während der Langzeitmessung von eineinhalb Jahren war die Erde auf ihrer elliptischen Bahn unterschiedlich starker Anziehungskraft der Sonne ausgesetzt. Falls Antimaterie und Materie verschieden auf Schwerkraft reagieren, würden die Materie- und Antimaterie-Uhren entlang der Flugbahn der Erde unterschiedliche Frequenzverschiebungen erfahren. Die BASE-Wissenschaftler konnten bei der Analyse ihrer Daten aber keine derartige Frequenzanomalie feststellen. So konnten sie erstmals direkte und weitgehend modellunabhängige Grenzen für ein anomales Verhalten von Antimaterie unter Schwerkraft setzen – oder anders ausgedrückt: im Rahmen der Messgenauigkeit die Gültigkeit des schwachen Äquivalenzprinzips für Uhren bestätigen.

„Um mit noch höherer Präzision messen zu können, müssen wir die Antiprotonen aus der Beschleunigerumgebung der Antimaterie-Fabrik des CERN in ein ruhiges Labor bringen“, beschreibt Dr. Christian Smorra, Physiker am Exzellenzcluster PRISMA+ der JGU und stellvertretender Sprecher der BASE-Kollaboration, die nächsten Schritte. „Dazu konstruiert das BASE-Team derzeit die transportable Antiprotonenfalle BASE-STEP.“ Zunächst ist geplant, die Antiprotonen in ein ruhiges Labor am CERN zu verlagern. Wenn das geklappt hat, können die Antiprotonen auch an andere Fallenlabore verteilt werden. „Wir werden die Transportfalle nutzen, um noch genauere Messungen mit Antiprotonen zu machen. So wollen wir sicherstellen, dass uns bei den Antiteilchen keine neue Physik durch die Lappen geht.“

Die BASE-Kollaboration besteht aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des RIKEN Fundamental Symmetries Laboratory, des European Center for Nuclear Research (CERN), des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM), der Universität Tokyo, des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung Darmstadt, der Leibniz-Universität Hannover, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) Braunschweig und der ETH Zürich. Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Max-Planck-RIKEN-PTB Center for Time, Constants and Fundamental Symmetries durchgeführt.

Veröffentlichung:
M.J. Borchert et al., A 16-parts-per-trillion measurement of the antiproton-to-proton charge–mass ratio, Nature, 05.01.2022,
DOI: 10.1038/s41586-021-04203-w
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04203-w

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• Antimaterie

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Quelle: GFZ.

2. September 2021 – Die Weltraumstrahlung ist eines der Hauptprobleme bei der Planung langfristiger bemannter Weltraummissionen. Für den Menschen gefährlich sind sowohl energetische Teilchen der Sonne (SEP) als auch die galaktische kosmische Strahlung (GCR) aus dem Weltall. Ein internationales Team um Yuri Shprits vom GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) und der Universität Potsdam sowie Mikhail Dobynde vom Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) in Moskau hat nun anhand von umfassenden Simulationen gezeigt, unter welchen Bedingungen eine Mission zum Mars machbar ist, auch wenn sie eine enorme technische Herausforderung darstellt. Hierfür betrachteten die Forschenden die verschiedenen Strahlungstypen und ihre Ausbreitung im Weltraum sowie in ein Raumfahrzeug mit Astronaut*innen-Modell. Die ermittelten Rahmenbedingungen: Der Schutzschild des Raumschiffs sollte ausreichend dick sein, um die mitfliegenden Menschen vor der Strahlung zu schützen, eine gewisse Dicke aber nicht überschreiten, da sonst im Material zu viele Sekundär-Partikel erzeugt werden. Selbst mit einem optimal konstruierten Raumfahrzeug sollte die Reise insgesamt nicht länger als vier Jahre dauern. Und sie sollte im Zyklus der Sonnenaktivität während des Maximums gestartet werden. Dann wird die besonders gefährliche kosmische Strahlung durch die Sonnenaktivität am besten abgeschirmt. Die Ergebnisse sind im Fachmagazin Space Weather erschienen.

Bedrohung Weltraumstrahlung

Eine Reise zum Mars dauert nach aktuellem Stand rund neun Monate in eine Richtung. Während Menschen auf der Erde und in erdnahen Umlaufbahnen durch den Erdkörper und sein Magnetfeld vor Weltraumstrahlung geschützt sind, stellt letztere für Reisen in den tieferen Weltraum, etwa zum Mars, ein erhebliches Risiko dar. Dabei sind Astronaut*innen zwei Arten gefährlicher Strahlung ausgesetzt: Energiereiche Teilchen solaren Ursprungs (SEP), bei denen es sich hauptsächlich um positiv geladene Protonen handelt, und die galaktische kosmische Strahlung (GCR). Sie besteht ebenfalls überwiegend aus Protonen (84%), sowie aus positiv geladenen Alpha-Teilchen (zwei Protonen + zwei Neutronen, 14%) und negativ geladenen Elektronen (2%). Ein Schutz vor diesen Teilchen ist technisch sehr schwierig und aufwändig, weil sie mit sehr hohen Energien durch den Weltraum fliegen und daher tief in Materialien ein- bzw. sie auch durchdringen können. Im Material kann es zudem zu Streuprozessen kommen, bei denen neue, sogenannte Sekundär-Teilchen erzeugt werden. Diese hoch-energetische Teilchenmix kann sowohl in der menschlichen Haut als auch in inneren Organen Zellen schädigen.

Umfassende Simulationen durch internationales Team

Um abzuschätzen, wie stark die Astronautinnen durch die Weltraumstrahlung belastet werden, und um so die optimalen Bedingungen für eine Mission zum Mars zu finden, haben die Forschenden verschiedene Strahlungssituationen und Schutzoptionen simuliert. Beteiligt waren neben den beiden Hauptautoren Yuri Shprits (GFZ) und sein ehemaliger Doktorand Mikhail Dobynde (Skoltech Moscow) auch Kolleginnen vom MIT und der University of California, Los Angeles (USA).

Zunächst ermittelten sie die Strahlungsumgebung für das Raumschiff, also Art und Energie der Partikel, denen es während seiner Mission ausgesetzt ist. Hierbei stützten sie sich auf Messungen der solaren Teilchen SEP aus den Jahren 1998 bis 2012. Für die galaktische Strahlung GCR nutzten sie ein empirisches Modell, in dem auch die Effekte des Sonnenzyklus berücksichtigt wurden.

Einfluss des Sonnenzyklus auf beide Strahlungsarten

Die Intensität der beiden Strahlungsarten variiert während des elfjährigen Sonnenzyklus. Bei diesem Prozess polt sich das solare Magnetfeld um: magnetischer Nord- und Südpol tauschen die Plätze. Dementsprechend haben auch verschiedene Sonnenaktivitäten diesen elfjährigen Rhythmus. Beispielsweise kommt es zu Sonneneruptionen, bei denen in einem explosiven Ereignis intensive Strahlungsstöße frei werden, die sich in das Sonnensystem ausbreiten. Allerdings entstehen auf diese Weise nur sporadisch die gefährlichen energiereichen solaren Teilchen (SEP). Eine genaue Vorhersage über Zeitpunkt, Stärke und Richtung der Strahlung ist eine große Herausforderung. Klar ist jedoch, dass die Wahrscheinlichkeit und die Intensität der solaren Strahlung auf dem Höhepunkt der Sonnenaktivität am größten ist.

Im Gegensatz dazu ist die galaktische kosmische Strahlung (GCR) von gleichmäßigerer Natur. Obwohl die Teilchenflüsse nicht so hoch sind, können sich bei langen Reisezeiten im All die Strahlungsdosen gefährlich aufsummieren. Auch die kosmische Strahlung wird durch die Sonnenaktivität beeinflusst: Sie wird von ihr abgeschirmt und ist daher im Maximum der Sonnenaktivität am schwächsten.

Strahlenwirkung auf Raumschiff und Besatzung

Um den Einfluss der Strahlung auf Raumschiff und Mensch zu untersuchen, wurde ersteres durch eine Kugel mit einem Innendurchmesser von zwei Metern modelliert. Als Material für die Hülle wählten die Forschenden das gängige Aluminium, die Dicke dieses Schutzmantels wurde variiert. Eine Wasserkugel von 35 Zentimetern Durchmesser diente als Modell für den menschlichen Körper.

Auf dieser Basis haben die Forschenden schlussendlich die Strahlendosis berechnet, die sich im Laufe einer Reise zum Mars unter verschiedenen Bedingungen im Körper akkumuliert. Dabei analysierten sie auch verschiedene Eindringtiefen in den Körper, um die Empfindlichkeit von Haut, blutbildenden und anderen Organen zu differenzieren.

Ergebnis: Optimale Bedingungen für einen Flug zum Mars

„Bislang gehen die meisten Weltraumorganisationen davon aus, dass die gesamte Strahlungsbelastung für Astronaut*innen im Laufe ihres Lebens den Wert von 1 Sievert nicht überschreiten sollte“, sagt Yuri Shprits. Die neuen Berechnungen zeigen, dass dieser Wert eingehalten werden kann, wenn das Raumschiff eine optimal dimensionierte Hülle hat, wenn der Flug während des Sonnenmaximums startet, und wenn die gesamte Reisezeit 3,8 Jahre nicht überschreitet.

Für den Aluminium-Schutzschild erweist sich eine Materialstärke von 30 Gramm pro Quadratzentimeter als optimal. Bemerkenswert ist, dass das Prinzip „mehr hilft mehr“ den Untersuchungen nach hier nicht angewendet werden kann: Wird das Material dicker, so kommt es in ihm vermehrt zu Streuprozessen, bei denen Sekundär-Teilchen entstehen, die die Strahlenbelastung im Inneren wieder erhöhen können. Auch bei dünnerem Material wäre die kritische Strahlendosis bereits bei kürzeren Flugzeiten erreicht.

Ausblick auf neue Materialien und künftige Missionen

Sollte es neue Erkenntnisse zur biologischen Wirksamkeit von Strahlung und neue Materialentwicklungen geben, lassen sich die vorliegenden Modelle anpassen.
„Wir haben uns hier zunächst auf Aluminium als das zurzeit gängige Material für den Strahlenschutzschild konzentriert. Seit längerem werden auch Komposit-Werkstoffe wie Kohlefaser-Verbundwerkstoffe (CFK) diskutiert, die mit leichten Elementen wie Wasserstoff gespickt sind. An diesen Materialien würden wir weniger Streuprozesse beobachten und daher weniger sekundär-induzierte Teilchen“, prognostiziert Shprits. Insgesamt dürfte das aber nur zu einer Verbesserung der Schutzwirkung um rund 20 Prozent führen, schätzt der Weltraumphysiker. Damit wäre dann eine Verlängerung der Reisezeit um ein Jahr möglich.

Zu beachten ist den Forschenden zufolge, dass die Auswirkungen der verschiedenen Strahlungsarten auf den menschlichen Körper noch nicht umfassend verstanden sind. Daher könnten sich künftig die Empfehlungen für die maximale Dosis und in Konsequenz dann auch zur maximalen Aufenthaltsdauer im All noch ändern.

Vorsicht sei auch geboten hinsichtlich der Variation des Sonnenzyklus. Dessen Auswirkungen sind nicht immer gleich, was bei Planungen für künftige Missionen berücksichtigt werden müsse.

Originalstudie: M.I. Dobynde, Y.Y. Shprits, A.Yu. Drozdov, J. Hoffman, J. Li, Beating 1 Sievert: Optimal Radiation Shielding of Astronauts on a Mission to Mars, Space Weather 2021, DOI: 10.1029/2021SW002749

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• Bemannte Raumfahrt und Gesundheit

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Quelle: TU Dortmund.

2. August 2021 – Wissenschaftler*innen aus aller Welt arbeiten am Forschungszentrum CERN in der Schweiz, wo der mächtigste Teilchenbeschleuniger der Welt läuft – der Large Hadron Collider (LHC). An zwei großen Projekten am LHC sowie an der begleitenden Entwicklung theoretischer Modelle sind rund 50 Physiker*innen der TU Dortmund beteiligt. Ihre Arbeit fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Projektförderung ErUM-Pro seit Juli mit weiteren 4,3 Millionen Euro für drei Jahre.

Am CERN suchen internationale Wissenschaftler*innen nach bisher unbekannten Teilchen. Zudem erforschen sie Eigenschaften und Wechselwirkungen bereits bekannter Elementarteilchen, um bisher offene Fragen der Physik lösen zu können. In einer ringförmigen, rund 27 Kilometer langen Röhre unter der Erde werden Pakete von Protonen nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht. Dabei entstehen Milliarden von Elementarteilchen. Gigantische Detektoren zeichnen deren Spuren, ihre Energie und ihren Zerfall auf.

Physiker*innen der TU Dortmund sind an zwei Detektoren beteiligt: Die Teams unter der Leitung der Professoren Johannes Albrecht und Bernhard Spaan forschen am Large-Hadron-Collider-beauty–Experiment (LHCb). Im Mittelpunkt stehen hierbei Präzisionsmessungen und die Suche nach seltenen Zerfällen. Die Gruppe um Prof. Kevin Kröninger arbeitet am ATLAS-Experiment mit. Hier geht es um die Suche nach bisher unbekannten Kräften und Elementarteilchen. Theoretische Untersuchungen zu den am Teilchenbeschleuniger stattfindenden Prozessen führt die Arbeitsgruppe um Prof. Gudrun Hiller durch. Theoretische Modelle und Analysen sind notwendig, um die Daten zu interpretieren.

Für die Arbeit der experimentellen Teilchenphysiker*innen und der TU Dortmund ist es notwendig, regelmäßig am CERN vor Ort zu sein. Diese Aufenthalte werden unter anderem durch das BMBF gefördert. Die BMBF-Förderung ist aber vor allem für die Wartung und den Betrieb sowie für den Ausbau und die Weiterentwicklung der Detektoren essenziell. Der LHC wurde in den vergangenen Jahren umgebaut und verbessert, sodass die beschleunigten Protonen nun heftiger als je zuvor aufeinanderprallen. Um die Funktionalitäten des erneuerten Teilchenbeschleunigers bestmöglich nutzen zu können, müssen auch die Detektoren aufgerüstet werden. „Wir installieren bei LHCb aktuell einen neuen Detektor und haben im Rahmen der BMBF-Förderung maßgeblich am Bau des Spurdetektors mitgewirkt“, sagt Prof. Johannes Albrecht. Im Frühjahr 2022 soll das LHCb-Upgrade den Betrieb aufnehmen. Die Aufrüstung des ALTAS-Experiment soll im nächsten Schritt erfolgen. Auch hierbei werden die Wissenschaftler*innen durch die BMBF-Förderung unterstützt.

Über die Projektförderung ErUM-Pro

Mit der Projektförderung im Rahmen des Aktionsplans ErUM-Pro bindet das BMBF gezielt Hochschulen in die Weiterentwicklung der Forschungsinfrastrukturen ein – damit diese weltweit führend bleiben. Der Aktionsplan ist Teil des Rahmenprogramms ErUM – Erforschung von Universum und Materie, mit dem das BMBF den thematisch-strategischen Rahmen für die naturwissenschaftliche Grundlagenforschung an Forschungsinfrastrukturen setzt.

Über die TU Dortmund

Die Technische Universität Dortmund hat seit ihrer Gründung vor 52 Jahren ein besonderes Profil gewonnen, mit 17 Fakultäten in Natur- und Ingenieurwissenschaften, Gesellschafts- und Kulturwissenschaften. Die Universität zählt rund 33.440 Studierende und 6.500 Mitarbeiter*innen, darunter etwa 300 Professor*innen. Das Lehrangebot umfasst rund 80 Studiengänge. In der Forschung ist die TU Dortmund in vier Profilbereichen besonders stark aufgestellt: (1) Material, Produktionstechnologie und Logistik, (2) Chemische Biologie, Wirkstoffe und Verfahrenstechnik, (3) Datenanalyse, Modellbildung und Simulation sowie (4) Bildung, Schule und Inklusion. Aufgrund ihrer vorbildlichen Transferstrategie wird die TU Dortmund im „Gründungsradar 2020“ in der Spitzengruppe der großen Hochschulen gelistet. Bis zu ihrem 50. Geburtstag belegte die TU Dortmund beim QS-Ranking „Top 50 under 50“ Rang drei der bundesdeutschen Neugründungen.

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• Large Hadron Collider

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Berechnungen auf Basis grundlegender Theorien der Teilchenphysik könnten dazu beitragen, das so genannte Proton-Radius-Rätsel zu lösen. Jetzt ist es theoretischen Physikern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) um Prof. Dr. Hartmut Wittig erstmals gelungen, ihre Rechnungen hinreichend präzise zu gestalten, um hieraus einen Hinweis abzuleiten: Die aktuellen Ergebnisse sprechen für einen kleineren Proton-Radius.

Sämtliche bekannten Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen – und doch sind viele Eigenschaften dieser allgegenwärtigen Nukleonen noch nicht verstanden. So gibt insbesondere der Radius des Protons seit einigen Jahren Rätsel auf: Im Jahr 2010 sorgte eine neue Messung des Proton-Radius mithilfe der Laserspektroskopie von myonischem Wasserstoff für Aufsehen – in diesem „besonderen“ Wasserstoff ist das Elektron in der Hülle des Atoms ersetzt durch seinen schweren Verwandten, das Myon, wodurch sich die Genauigkeit der Messung erheblich steigern ließ. Die Forscher ermittelten einen deutlich kleineren Wert, als er aus entsprechenden Messungen an „normalem“ Wasserstoff und der Bestimmung des Protonradius aus Elektron-Proton-Streuexperimenten bekannt war. Die große Frage, die Physikerinnen und Physiker seitdem umtreibt: Verbirgt sich hinter der Abweichung eine neue Physik jenseits des Standardmodells oder handelt es sich „lediglich“ um systematische Unsicherheiten der verschiedenen Messmethoden?

Um Licht ins Dunkel zu bringen und die unterschiedlichen Ergebnisse einzuordnen, spielen theoretische Berechnungen eine wichtige Rolle. Eine Gruppe von Physikern am Exzellenzcluster PRISMA+ zielt dabei insbesondere auf die sogenannten elektromagnetischen Formfaktoren ab. „Diese gilt es, aus der grundlegenden Theorie der Quantenchromodynamik (QCD) heraus zu ermitteln“, erläutert Prof. Dr. Hartmut Wittig. „Das bedeutet, wir berechnen diese Größen ohne dass experimentell gemessene Daten in unsere Rechnung einfließen.“ Die elektromagnetischen Formfaktoren beschreiben die Verteilung von elektrischer Ladung und Magnetisierung innerhalb des Protons. Auf ihrer Messung beruht auch die experimentelle Bestimmung des Proton-Radius aus Elektron-Proton-Streuexperimenten. Sie sind also eine wichtige Größe im Proton-Radius-Rätsel.

Das Kräftespiel im Atomkern beschreiben
Die Quantenchromodynamik beschreibt das Kräftespiel im Atomkern: Dort bindet die starke Wechselwirkung die Quarks als elementare Bausteine der Materie zu Protonen und Neutronen zusammen und wird durch Gluonen als Austauschteilchen vermittelt. Um diese Vorgänge mathematisch simulieren zu können, greifen die Mainzer Wissenschaftler auf die sogenannte Gitterfeldtheorie zurück. Ähnlich wie in einem Kristall werden die Quarks dabei auf die Punkte eines Raum-Zeit-Gitters verteilt. Mit speziellen Simulationsverfahren lassen sich dann die Eigenschaften der Nukleonen unter Einsatz von Supercomputern berechnen.

„In Bezug auf die Größe des Protons gab es in letzter Zeit sehr viele Aktivitäten bei solchen Gitterrechnungen, aber bis dato reichte deren Präzision nicht aus, um zwischen der Messung an myonischem Wasserstoff und dem Ergebnis aus der Elektron-Proton-Streuung zu unterscheiden“, so Hartmut Wittig. „Wir haben die elektromagnetischen Formfaktoren nun erstmals so genau berechnet, dass sie uns erlauben, uns in die Diskussion um den Proton-Radius einzuschalten.“

Denn aus den Formfaktoren wiederum lässt sich der Proton-Radius in mehreren Schritten bestimmen. Das Ergebnis ist ein weiterer Hinweis auf ein kleineres Proton – und das erstmals auf Basis einer von den bisherigen Messungen unabhängigen Methode. Ganz ausschließen können die Physiker den größeren Wert nach wie vor nicht. „Der Fehler in unseren Berechnungen ist zwar klein genug, um den kleineren Wert zu bevorzugen, aber immer noch zu groß, um den größeren Wert endgültig verwerfen zu können“, resümiert Hartmut Wittig. „Wir haben aber bereits Ideen, wie wir die Genauigkeit unserer Rechnungen noch weiter steigern können.“

Veröffentlichung:
D. Djukanovic, T. Harris, G. von Hippel, P.M. Junnarkar, H B. Meyer, D. Mohler, K. Ottnad, T. Schulz, J. Wilhelm, and H. Wittig,
Isovector electromagnetic form factors of the nucleon from lattice QCD and the proton radius puzzle
arXiv:2102.07460 [hep-lat]

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Quelle: DESY.

28. Oktober 2019 – Heute wurde der erste von 24 supraleitenden Magneten für das internationaleForschungsprojekt ALPS II („Any light particle search“) bei DESY in Hamburg installiert. Mit diesem Magneten startet die Installation eines einzigartigen Experiments der Teilchenphysik zur Suche nach Dunkler Materie in einem Abschnitt eines Beschleunigertunnels am Forschungszentrum DESY in Hamburg. ALPS II wird nach Teilchen suchen, die Licht buchstäblich durch eine Wand scheinen lassen können und so Hinweise auf eine der größten Fragen der heutigen Physik geben können: Was sind die Eigenschaften von Dunkler Materie? „Es ist wirklich aufregend zu sehen, wie das Projekt, an dem viele von uns seit so vielen Jahren arbeiten, endlich im Tunnel Gestalt annimmt“, sagte ALPS-II-Sprecher Axel Lindner von DESY. „Wenn die Installation und Inbetriebnahme wie geplant verläuft, können wir die Messungen in der ersten Hälfte des Jahres 2021 starten.“

Die Natur der Dunklen Materie ist eines der größten Rätsel der Physik. Beobachtungen und Berechnungen der Bewegung von Sternen in Galaxien zeigen, dass es im Universum mehr Materie geben muss, als wir mit den uns heute bekannten Materieteilchen erklären können. Tatsächlich müsste die Dunkle Materie 85 % der gesamten Materie im Universum ausmachen. Allerdings wissen wir derzeit nicht, was die Bestandteile der Dunklen Materie sind. Aber wir wissen, dass sie quasi nicht mit der normalen Materie interagiert und im Wesentlichen unsichtbar ist, daher die Bezeichnung „dunkel“.

Es gibt viele Theorien, die versuchen, die Natur der Dunklen Materie und die Teilchen, aus denen sie bestehen könnte, zu erklären. Einige dieser Theorien besagen, dass die Dunkle Materie aus sehr leichten Teilchen mit sehr spezifischen Eigenschaften besteht. Ein Beispiel ist das Axion, das ursprünglich zur Erklärung von Aspekten der starken Wechselwirkung, einer der fundamentalen Naturkräfte, postuliert wurde. Es gibt auch rätselhafte astrophysikalische Beobachtungen in der Evolution von Sternensystemen, die sehr gut durch die Existenz von Axionen oder Axion-ähnlichen Teilchen erklärt werden können.

Hier setzt ALPS II an. Es wurde entwickelt, um diese Teilchen zu erzeugen und nachzuweisen. Ein starkes Magnetfeld kann Axionen dazu bringen, sich in Lichtteilchen, Photonen, umzuwandeln und umgekehrt. „Diese bizarre Eigenschaft wurde bereits im ersten ALPS I-Experiment, das wir von 2007 bis 2010 durchgeführt haben, genutzt. Trotz seiner geringen Größe erreichte es die weltweit besten Sensitivitäten für solche Experimente“, sagt Benno Willke, Leiter der ALPS- und Laserentwicklungsgruppe am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert Einstein-Institut) und am Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover.

ALPS II wird in einem geraden Tunnelabschnitt des ehemaligen DESY-Teilchenphysikbeschleunigers HERA installiert. Vierundzwanzig supraleitende Beschleunigermagnete, zwölf auf beiden Seiten einer Wand, beherbergen zwei 120 Meter lange optische Resonatoren. Ein leistungsstarkes und komplexes Lasersystem erzeugt Licht, das durch den Resonator im Inneren des Magnetfeldes verstärkt und, so hoffen die Forscherinnen und Forscher, zu einem sehr kleinen Teil in Teilchen der Dunklen Materie umgewandelt wird. Eine lichtblockierende Barriere – eine Wand – steht vor der anderen Hälfte von ALPS II. Diese Wand ist allerdings keine Hürde für Axionen und ähnliche Teilchen, die sie leicht passieren können. Im zweiten Resonator würden die Teilchen der Dunklen Materie wieder in Licht umgewandelt. Das winzige Signal wird von speziellen Detektionssystemen erfasst.

Die mehr als 1.000fache Verbesserung der Empfindlichkeit von ALPS II wird durch die größere Länge der Magnetstrecke, aber auch durch signifikante Fortschritte in optischen Technologien ermöglicht. „Diese Fortschritte sind das Ergebnis der Arbeit an Gravitationswellen-Interferometern wie GEO600 und LIGO und zeigen auf schöne Weise, wie technologische Fortschritte in einem Bereich Fortschritte in anderen ermöglichen“, sagte Co-Sprecher Guido Müller von der University of Florida in Gainesville.

ALPS II ist auch ein Beispiel für das Recycling in der Forschung: Es nutzt nicht nur einen Tunnelabschnitt, in dem einst der Flaggschiff-Teilchenbeschleuniger von DESY untergebracht war, sondern es recycelt auch die Magnete, die bis 2007 Protonen durch den Ring trieben. Diese Magnete mussten umgebaut werden, um den ALPS-Zwecken gerecht zu werden: Die leichte Biegung, die für den Einsatz in einem Beschleunigerring nötig war, musste entfernt werden, damit sich Licht durch sie ungehindert ausbreiten kann.

Die ALPS II-Kooperation besteht aus etwa 25 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der folgenden Institute: DESY, das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert Einstein Institut) und das Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz, die University of Florida in Gainesville und die Cardiff University. Darüber hinaus wird die Zusammenarbeit von Partnern wie der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Deutschland und dem National Institute of Standards and Technology in den USA unterstützt. Das Experiment wird hauptsächlich von DESY, der Heising-Simons Foundation, der US National Science Foundation, der Deutschen Volkswagenstiftung und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert.

Bei DESY könnte ALPS II nur das erste Experiment innerhalb eines neuen strategischen Ansatzes auf der Suche nach der Dunklen Materie sein. „Internationale Kooperationen bereiten das IAXO-Experiment zur Suche nach den von der Sonne emittierten Axionen sowie den MADMAX-Detektor vor, der direkt nach Axionen als Bestandteilen der uns umgebenden lokalen dunklen Materie fahndet“, erklärte Joachim Mnich, Direktor für Teilchenphysik bei DESY.

Partnerinstitute und Geldgeber
Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute)Institute for Gravitational Physics at Leibniz Universität of Hannover

Johannes Gutenberg-Universität MainzUniversity of Florida in Gainesville

Cardiff UniversityPhysikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

National Institute of Standards and Technology (NIST)Heising-Simons Foundation

National Science FoundationVolkswagen Stiftung

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

DESY zählt zu den weltweit führenden Teilchenbeschleuniger-Zentren und erforscht die Struktur und Funktion von Materie – vom Wechselspiel kleinster Elementarteilchen, dem Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe und lebenswichtiger Biomoleküle bis hin zu den großen Rätseln des Universums. Die Teilchenbeschleuniger und die Nachweisinstrumente, die DESY an seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen entwickelt und baut, sind einzigartige Werkzeuge für die Forschung: Sie erzeugen das stärkste Röntgenlicht der Welt, bringen Teilchen auf Rekordenergien und öffnen neue Fenster ins Universum. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

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Erstellt von Roland Rischer. Quelle: NASA, Raumcon

Im Marshall Space Flight Center (MSFC) in Huntsville, Alabama, hat man mit Versuchen zur E-Sail-Technik im Weltraum begonnen. Überlegungen, die geladenen Plasmateilchen im Sonnenwind zur Fortbewegung im interplanetaren Raum zu nutzen, sind nicht neu. Mit der NASA tritt nun ein Mitspieler an, der zwar auf erheblich größere finanzielle und technische Ressourcen zurückgreifen kann, aber man bleibt zumindest in der Anfangsphase bescheiden – 500.000 US-Dollar sind für erste Laborexperimente budgetiert. Die Tests in einer Plasma-Kammer am MSFC dienen der Modellierung eines Sondenantriebs mit dem Namen „Heliopause Electrostatic Rapid Transit System“ oder kurz HERTS. Der Name ist Programm, das System soll innerhalb der Heliopause, also innerhalb des Wirkungsbereiches des Sonnenwindes, eine schnelle Durchquerung des Sonnensystems durch Nutzung elektrostatischer Kräfte im Sonnenwind ermöglichen.

„Die Sonne verströmt mit dem Sonnenwind unter anderem auch Protonen und Elektronen mit sehr hoher Geschwindigkeit – 400 bis 750 Kilometer pro Sekunde,“ erklärt Bruce Wiegmann, Ingenieur im MSFC-Büro für fortgeschrittene Anwendungen im Weltraum (Advanced Concepts Office) und Leiter des HERTS E-Sail-Projektes. „Das E-Sail würde die Protonen für den Vortrieb einer Sonde nutzen.“ Das Konzept sieht vor, von der Sonde im Mittelpunkt ausgehend zehn bis zwanzig Aluminiumdrähte sternförmig auszubringen. Die Drähte werden elektrisch positiv geladen und stoßen damit die Protonen im Sonnenwind ab. Dadurch entsteht eine Kraftwirkung, die das Raumfahrzeug antreiben soll. Jeder Draht ist einen Millimeter dick und 20 Kilometer lang. Die Sonde soll mit einer Umdrehung pro Stunde rotieren, um so die Drähte durch die Fliehkraft in Position zu bringen und zu halten.

In den jetzt aufgenommenen Versuchen wird die Häufigkeit, mit der Protonen und Elektronen auf den positiv geladenen Draht treffen, untersucht. In einer Plasma-Kammer, in der Bauteile der Umweltsituation in Sonnennähe ausgesetzt werden können, wird ein rostfreier Stahldraht an Stelle eines Aluminiumdrahtes einer Protonen- und Elektronenstrahlung ausgesetzt. Der Stahldraht ist gegenüber dem intensiven Beschuss in der Plasma-Kammer resistenter, lässt aber Rückschlüsse auf die Effizienz der Aluminiumdrähte im Weltraum zu.

Die Forscher messen in der Plasma-Kammer die Ablenkung der Protonen durch den geladenen Draht. Mit den Versuchen werden zunächst die Modellergebnisse zum E-Sail-Abstoßungseffekt im kleinen Maßstab kontrolliert und verbessert. Dann wird das Ganze auf eine reale Größenordnung für eine künftige Sonde hochskaliert. Der positiv geladen Draht zieht natürlich auch negativ geladene Elektronen an. Ohne Gegenmaßnahmen würde der Draht nach relativ kurzer Zeit seine positive Ladung verlieren. Die Versuche in der Plasma-Kammer dienen auch dazu, das Ausmaß der Elektroneneinwirkung zu ermitteln und eine ausreichend dimensionierte Elektronenkanone (vermutlich ein Elektronenemitter wie in Kathodenstrahlröhren) zur Entladung zu konzipieren.

Das E-Sail-Konzept wurde von Dr. Pekka Janhunen vom Meterologischen Institut in Finnland entwickelt. Die bisherigen Versuche bewegten sich auf einem niedrigen technologischen Anspruchsniveau. Wenn die Ergebnisse aus der Plasma-Kammer, der Modellhochrechnungen und auch die Entwicklung eines zuverlässigen Abspulmechanismus zur Ausbringung der Drähte nach der jetzt für zwei Jahre angesetzten Versuchsreihe positiv ausfallen, bleibt nach Aussagen der NASA noch Entwicklungsarbeit für mindesten ein Jahrzehnt, bevor das Antriebskonzept tatsächlich umgesetzt werden kann.

In den USA wiesen Sonnensystemforscher bereits 2012 darauf hin, dass neue, fortschrittliche Antriebskonzepte für die weitere Erforschung des Sonnensystems bis in seine Randbereiche erforderlich sind. Die HERTS-Versuche sind eine Antwort darauf. Im Unterschied zu einem Sonnensegel, dessen Vortriebskraft auf dem Photonendruck beruht, soll ein E-Sail erheblich weitere Reisen im Sonnensystem ermöglichen. Auch wenn der Photonendruck um den Faktor 500 größer ist als der Protonendruck, wird ein Sonnensegel am Asteroidengürtel, also fünf Astronomische Einheiten (ein AU gleich Abstand Erde-Sonne, also rd. 149 Mio. km) von der Sonne entfernt,seine beschleunigende Wirkung verlieren. Ein E-Sail, glaubt Wiegmann, kann auch dort noch an Geschwindigkeit zulegen: „Mit dem beständigen Protonenfluss und entsprechender Fläche kann ein E-Sail bis in 16 bis 20 AU Entfernung von der Sonne kontinuierlich beschleunigen. Das ist dreimal weiter entfernt als bei einem Sonnensegel.“

Es wird zwar nicht ausdrücklich erwähnt, aber die Ausführungen legen den Schluss nahe, dass die radialen E-Sail-Drähte langsam ausgefahren werden. In Erdnähe (1 AU) würde eine effektive Fläche von rund 600 Quadratkilometer, entspricht einer Drahtlänge von knapp 14 Kilometern, ausreichen. Bis zum Asteroidengürtel werden die Drähte dann auf 20 Kilometer verlängert, dies entspricht einer Verdoppelung der Fläche auf etwas über 1.200 Quadratkilometer. Die längere kontinuierliche Beschleunigung führt zu erheblich höheren Geschwindigkeiten gegenüber allen anderen bekannten Antrieben. Zum Vergleich, die 1977 gestartete Sonde Voyager 1 benötigte 35 Jahre, um die Grenze der Heliopause in 121 AU Entfernung zu erreichen. Ein E-Sail könnte die Reisezeit auf unter ein Drittel senken. Wiegmann: „Das würde den wissenschaftlichen Nutzen solcher Missionen vervielfachen.“

Die Konzeptstudien der NASA zum E-Sail laufen auf ein sehr flexibles Design hinaus. Die Länge wie auch die Zahl der Drähte und die anliegende Spannung können an das Missionsvorhaben (innere Planeten, äußere Planeten oder darüber hinaus) leicht angepasst werden. Die Steuerung kann über unterschiedliche Feldstärken an einzelnen Drähten oder ganzen Segmenten der Kreisfläche erfolgen, die den Anstellwinkel im Protonenstrom verändern.

Aktuell gab beziehungsweise gibt es zwei E-Sail-Experimente. Der 2013 gestartete estnische Minisatellit ESTCube-1 hatte einen zehn Meter langen Draht für den Nachweis des Protoneneffekts auf ein „E-Sail“ an Bord. Der Abspulmechanismus für den Draht scheint jedoch nicht wie geplant funktioniert zu haben. Ein Defekt im Antriebssystem oder im Abspulmechanismus sowie eine nicht gelöste Sicherheitsarretierung sind mögliche Ursachen.

Im Mai 2016 ist nach mehreren Verschiebungen der Start des finnischen 3er-Cubesats Aalto-1 auf einer Falcon 9 von SpaceX vorgesehen. Aalto-1 führt einen erheblich längeren Draht mit sich und soll die Nutzung des E-Sail-Effekts für ein Deorbiting demonstrieren.

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• Sonnensegel

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Ein Beitrag von Hans J. Kemm. Quelle: CERN. Vertont von Peter Rittinger.

Kurz vor der Winterpause haben die Wissenschaftler im LHC noch einmal das Programm geändert. Im letzten Programmplan ließen sie Protonen erfolgreich durch die 27 km lange Röhre kreisen und kollidieren, der Abschluss erfolgte am 4.11.2010. Grundlage für den Erfolg der Forschung war das Erreichen der Rekordenergie der Kollisionen von 7 Tera-Elektronenvolt (TeV) im März dieses Jahres. Dadurch konnte ein Hauptziel für 2010 verzeichnet werden, dass darin bestand, eine Luminosität von 10³² zu erreichen. Den Forschern gelang dies am 13. Oktober und seither konnte diese sogar verdoppelt werden.
Luminosität ist ein Begriff aus der Beschleuniger-Physik. Mit Hilfe dieser Größe kann die zu erwartende Ereignisrate N eines Experiments in der Hochenergiephysik an einem Ringbeschleuniger mit zwei gegenläufigen Teilchenstrahlen ermittelt werden.

Mit dieser exzellenten Leistung haben sich aber die Wissenschaftler nicht zufriedengegeben, jetzt wollte das Team ein weiteres hochgestecktes Ziel erreichen. Bis zum Beginn der Winterpause Anfang Dezember sollten nun Bleiionen im Alice-Detektor aufeinanderprallen. Und dies ist wahrlich gelungen.

Mit kollidierenden Blei-Atomkernen erzeugten die Physiker subatomare, 10 Billionen Kelvin heiße Mikro-Feuerbälle – mehr als eine Million Mal heißer als im Zentrum der Sonne. Dies ist die höchste Temperatur und größte Dichte, die jemals in einem Experiment erreicht worden ist.

Durch die Kollision von Schwerionen soll ein neuer Materiezustand auftreten, das Quark-Gluon-Plasma. In diesem Zustand befand sich die Materie einige Milliardstelsekunden nach dem Urknall. Die Wissenschaftler wollen herausfinden, wie sich aus dem Quark-Gluon-Plasma die Materie gebildet hat, aus der das Universum heute besteht. Darüber erhoffen sie sich weitere Erkenntnisse über die Eigenschaften der starken Wechselwirkung.

Nach diesen Versuchen wird über den Winter der Teilchenbeschleuniger stillgelegt und gewartet. Im Februar 2011 wollen die Wissenschaftler ihre Arbeit wieder aufnehmen.

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