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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• Chemie im All

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Autor: Michael Stein.

Bereits seit dem Jahr 2000 fliegen die vier baugleichen Cluster-Satelliten der ESA im Formationsflug. Zur Zeit bilden Sie eine pyramidenförmige Struktur und halten rund 200 Kilometer Abstand zueinander, je nach der zu untersuchenden Struktur kann der Abstand zwischen den Satelliten aber auch auf tausende von Kilometer anwachsen. Der polare, stark elliptische Orbit dieser vier je 1.200 Kilogramm „schweren“ Satelliten mit einem erdnächsten Punkt von 19.000 und einem erdfernsten Punkt von 119.000 Kilometer Höhe führt die Cluster-Formation durch die verschiedensten Regionen des Erdmagnetfelds und erlaubt den elf Instrumenten an Bord jedes Satelliten Messungen der unterschiedlichsten Effekte. Die Instrumente erlauben Messungen geladener Teilchen sowie elektrischer und magnetischer Felder, um somit die Wechselwirkungen zwischen den von der Sonne ausgehenden Wolken hochenergetischer Partikel und der Erdatmosphäre und dem Erdmagnetfeld zu erforschen. Bis heute haben Salsa, Samba, Rumba und Tango (so die Namen der vier Forschungssonden) die in sie gesetzten Erwartungen voll erfüllen können.
 
Am 27. Dezember startet um 20:23 Uhr (MEZ) nun der erste von zwei Forschungssatelliten, die aus einer sino-europäischen Kooperation hervorgegangen sind. Die beiden als TC-1 und TC-2 bezeichneten baugleichen Satelliten der Double Star-Mission mit jeweils nur 330 Kilogramm Masse sind die ersten beiden chinesischen Satelliten zur Erforschung der irdischen Magnetosphäre. Sie sind in China konstruiert und gebaut worden und mit insgesamt acht Messinstrumenten aus chinesischer Produktion ausgestattet worden. Der Start wird mit Trägerraketen vom Typ Langer Marsch 2C erfolgen, die geplante Operationsdauer der beiden Double Star-Satelliten beträgt zwölf beziehungsweise achtzehn Monate.
 
Der europäische Part an dieser Mission ist die Beisteuerung von acht weiteren Instrumenten für die beiden Satelliten, wobei sieben dieser Instrumente Pendants an Bord der Cluster-Satelliten haben: es handelt sich dabei um Reserveinstrumente beziehungsweise Duplikate, die bereits vorhanden waren und deshalb kostengünstig und ohne großen Zeitaufwand für die beiden chinesischen Double Star-Satelliten zur Verfügung gestellt werden konnten. Außer diesen ökonomischen Vorteilen ist es natürlich auch wissenschaftlich interessant, gleichartige Instrumente auf mehreren Satelliten verteilt durch die Magnetosphäre fliegen zu lassen – die Cluster– und Double Star-Satelliten können sich so ideal ergänzen und ein mehrdimensionales Bild des unseren Planeten umgebenden Magnetfelds liefern.

Im Gegensatz zu den relativ hoch fliegenden Cluster-Satelliten wird das Double Star-Duo der Chinese National Space Administration (CNSA) auf ihren elliptischen Umlaufbahnen der Erde bis auf 550 beziehungsweise 700 Kilometer nahe kommen. Während der Ende dieses Monats startende Satellit TC-1 auf einer relativ äquatorialen Umlaufbahn – die gegenüber dem Äquator aber immer noch um 28,5 Grad geneigt sein wird – seine Bahnen ziehen soll wird TC-2, dessen Start für Juni 2004 geplant ist, auf einem polaren Orbit um die Erde kreisen.
 
Die wissenschaftlichen Ziele der beiden Satelliten weisen unterschiedliche Schwerpunkte auf: Während TC-1 auf seinem Orbit knapp 64.000 Kilometer in den Weltraum hinausfliegen und dabei vor allem auch Informationen über die Vorgänge im so genannten „geomagnetischen Schweif“ sammeln soll, wird TC-2 auf seinem Weg über die Polregionen der Erde Messdaten über die Vorgänge in diesen Regionen des Erdmagnetfelds sammeln. Der so genannte geomagnetische Schweif ist das auf der sonnenabgewandten Seite der Erde in den Raum hinaus erweiterte Magnetfeld der Erde, wo es immer wieder zu magnetischen Rekonnektionen kommt – genau diese Vorgänge, die Neu-Anordnung der Magnetfeldlinien, ist eine der wesentlichen Untersuchungsgegenstände von TC-2.
 
Natürlich ermöglicht die aufeinander abgestimmte Nutzung der vier Cluster– und der beiden Double Star-Satelliten einzigartige wissenschaftliche Chancen, denn damit sind beispielsweise Beobachtungen einzelner Region des erdnahen Weltraum durch gleich sechs Raumsonden mit teilweise identischer Instrumentenausstattung möglich. Außer rein wissenschaftlichen Fragenstellungen erhoffen sich die Initiatoren der Double Star-Mission auch neue Erkenntnisse, die zu einem besseren Schutz von Satelliten und Raumfahrzeugen vor den negativen Folgen solarer Stürme führen können.
 
Insgesamt bietet diese chinesisch-europäische Premiere für beide Seiten viele Vorteile, die ihren Niederschlag mit Sicherheit auch in einer Vielzahl neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse finden werden.

Der Beitrag Double Star – auf den Spuren von Cluster erschien zuerst auf Raumfahrer.net.