Quelle: Universität zu Köln 5. Februar 2024.

5. Februar 2024 – Ein Konsortium von deutschen Geowissenschaftler*innen erforscht in drei Expeditionen mit dem Forschungsschiff „Polarstern“ die Veränderungen des Ostantarktischen Eisschildes in der geologischen Vergangenheit. Davon wurde die zweite am 1. Februar 2024 abgeschlossen, die dritte ist noch bis Anfang April 2024 unterwegs. Die Forscher*innen stammen vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) in Bremerhaven, vom Geomar Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel (GEOMAR), sowie von der Universität zu Kiel, der TU Dresden und der Universität zu Köln. Das Konsortium hat gemeinsam mit internationalen Partnern das Projekt „East Antarctic Ice Sheet Instability“ (EASI) initiiert. Das Forschungsprojekt hat zum Ziel, aus geologischen Daten vom Antarktischen Kontinent bis in die umgebende Tiefsee abzuleiten, wie der Ostantarktische Eisschild auf den aktuellen Klimawandel reagieren wird.

Der Beitrag der Universität zu Köln zur EASI-Initiative liegt in der Rekonstruktion der Vereisungsgeschichte in heute eisfreien Regionen entlang des ostantarktischen Eisrandes. „Wir nutzen die Sedimente, die in Seen, in Fjorden und an Land in diesen Gebieten abgelagert wurden und rekonstruieren aus der Zusammensetzung und dem Alter der Ablagerungen die Entwicklung der Klima- und Umweltbedingungen“, erläutert der Kölner Geologe Professor Dr. Martin Melles. Dabei beschränken sich die Forscher*innen nicht auf die Vereisungsgeschichte. Es wird auch die Klimageschichte, mit Änderungen in der Temperatur und in den Niederschlägen, sowie die regionale Meeresspiegelgeschichte rekonstruiert. „So verstehen wir nicht nur die Vereisungsgeschichte besser, sondern können auch die Gründe für die unterschiedlichen Entwicklungen in den verschiedenen eisfreien Gebieten entschlüsseln“, ergänzt Melles. Weitere Erkenntnisse erhoffen sich die Forscher*innen von Vergleichen mit den Erkenntnissen, die das Konsortium im Südozean erlangt. „Unsere Partner sammeln Daten zu den Meeresströmungen, die Wärme in Richtung Land transportieren, oder zur Meereisbedeckung, die Gründe für Veränderungen in der Eisbedeckung an Land besser erklären.“

Auf der gerade zu Ende gegangenen Expedition „EASI-2“ wurden unter Leitung der Kölner Geolog*innen umfangreiche Forschungsarbeiten in den Vestfold Hills durchgeführt, einem 413 km² großen Landgebiet am Ostrand der antarktischen Prydz-Bucht. An dem sechs-köpfigen Team waren Forschende der TU Dresden und der australischen Universitäten Canberra und Adelaide beteiligt. Der Schwerpunkt lag auf der Gewinnung von Sedimentkernen aus einem See und einem Fjord. „Wir konnten an insgesamt vier Stationen bis zu 13 m lange Sedimentkerne gewinnen, aus denen erstmals in den Vestfold Hills die Geschichte von der Eisbedeckung über den Eisrückzug bis zu den heutigen eisfreien Bedingungen lückenlos rekonstruiert werden kann“, erläutert Melles. Die abschließende Analyse und Interpretation des umfangreichen Daten- und Probenmaterials wird im Rahmen eines dreijährigen Forschungsprojektes durchgeführt werden, welches von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird.

Im Inlandeis der Antarktis sind mehr als 90 Prozent des Süßwassers auf der Erde gespeichert. Ein vollständiges Abschmelzen des Antarktische Eisschildes würde den Meeresspiegel weltweit um 57 Meter ansteigen lassen und sogar Köln, mit den Rheinwiesen bei 36.4 Meter über dem Meeressspiegel, überfluten. Darüber hinaus würde ein Abschmelzen des Eises den Wärmehaushalt der Erde und die globale Ozeanzirkulation verändern, weil die helle Eisfläche große Mengen an Sonnenstrahlung in den Weltraum zurückspiegelt und in der Antarktis ein großer Teil des Bodenwassers im Weltozean gebildet wird.

Seit einigen Jahren lässt sich ein Massenverlust des Antarktischen Eisschildes beobachten. Dieser dürfte sich nach aktuellen Klimaprognosen in der Zukunft noch verstärken. „Der Eisschild reagiert recht träge, so dass sich ein vollständiges Abschmelzen des Eises über mehrere Jahrhunderte – wenn nicht Jahrtausende – hinziehen dürfte“, so Melles. „Wir müssen uns jedoch vor Augen führen, dass die Prognosen recht große Unsicherheiten aufweisen, da die Dynamik des Eisschildes heute und in der geologischen Vergangenheit noch unzureichend verstanden ist. Hier kann unsere Forschung einen wichtigen Beitrag leisten.“

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• Planet Erde

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Quelle: TU Dresden 22. Februar 2023.

22. Februar 2023 – Was ist dunkle Materie? Was hat es mit Neutrinos auf sich? Wie funktionieren Sterne und was war eigentlich in den ersten Minuten nach dem Urknall im Universum los? Zur Beantwortung dieser Fragen benötigt man sehr empfindliche Detektoren und sehr viel Geschick. Nur in wenigen Laboren auf der Welt konnte man bisher solch sensitive Messungen durchführen. Seit kurzem gibt es jedoch auch in Deutschland einen derart empfindlichen Detektor, der den Forschenden zukünftig Antworten auf diese Fragen ermöglichen kann.

Nach langer Entwicklungsarbeit haben die Forschenden vom Institut für Kern- und Teilchenphysik (TU Dresden) und dem Institut für Strahlenphysik (HZDR) den Aufbau im Untertagelabor „Felsenkeller“ Dresden nun in Betrieb genommen. Sie können damit fortan Proben von Stoffen und Materialien mit einer Radioaktivität im Bereich von 100 Mikrobequerel analysieren, in anderen Worten, Proben mit 100 Millionen mal weniger Radioaktivität, als im menschlichen Körper vorhanden ist. Damit gehört der Messaufbau im Felsenkellerlabor zu der Weltspitze der sensitivsten Messgeräte für Radioaktivität.
„Wenn man seltene Prozesse und geringe Aktivitäten in der Physik untersuchen möchte, dann braucht man prinzipiell zwei Dinge: einerseits viel Geduld – denn die Prozesse finden ja nur selten statt – und andererseits eine Umgebung, die möglichst strahlungsarm ist, damit der Detektor nicht permanent von natürlichen Strahlungsquellen, wie sie z. B. in jedem Baumaterial vorhanden sind, gestört wird“, erklärt Steffen Turkat, TUD-Mitarbeiter im Felsenkeller-Labor.

So schützt die 45 Meter dicke Felsschicht im Stollen des ehemaligen Eislagers der Dresdner Felsenkeller-Brauerei den Detektor zwar vor einem Großteil der kosmischen Strahlung, jedoch nicht vor der natürlichen Radioaktivität aus der Umgebung. Daher mussten die Forschenden den Detektor zusätzlich mit einer ausgetüftelten Anordnung aus strahlungsarmen Betonwänden, großen Mengen an Blei und Kupfer sowie sogenannten Veto-Detektoren schützen. Nur so kann dieser hochempfindliche Aufbau funktionieren und Kernumwandlungen aus den wertvollen Proben auswerten.

„Ich freue mich besonders über die Vielzahl an ungeplanten Anfragen von interessierten Kolleg*innen weltweit, die den Detektor nun gerne nutzen würden. Bei diesen Anfragen geht es dann schnell mal um extrem wertvolle und seltene Proben, die wissenschaftlich äußerst spannend sind, die aber mit anderen Detektoren nicht analysiert werden können. So ein Detektor erzeugt somit automatisch neue Kollaborationen und Vernetzungen zu anderen faszinierenden Fachgebieten“, erläutert Steffen Turkat.

Prof. Kai Zuber von der TU Dresden ist der wissenschaftliche Leiter des Felsenkellerlabors und freut sich insbesondere darauf, seine eigenen anspruchsvollen Forschungsinteressen in der Physik jenseits des Standardmodells quasi vor der Haustür verfolgen zu können: „Ich interessiere mich vor allem für den doppelten Betazerfall und die Suche nach Prozessen, die die geladene Leptonenzahl verletzen würden. Aber auch für die Verbesserung der Halbwertszeiten von Radionukliden ist der Felsenkeller nun exzellent geeignet.“

Auch Prof. Daniel Bemmerer, Technischer Leiter des Felsenkellerlabors und Gruppenleiter für Nukleare Astrophysik am HZDR, ist begeistert von den neuen Möglichkeiten, die der Detektor bietet: „Wir können nun Aktivierungsmessungen für Kernfusions-Experimente bei Energien durchführen, die den eigentlichen Energien und Temperaturen in unserer Sonne wesentlich näherkommen, als es bisher möglich war. Dadurch wird auch eine neue Nutzungsmöglichkeit für den Felsenkeller-Beschleuniger geschaffen.“
Neben dem neuen Detektor ist in Deutschlands tiefstem Untertage-Physiklabor bereits seit 2019 ein Ionenbeschleuniger zur Untersuchung der wichtigsten Prozesse im Inneren der Sterne in Betrieb.

Der Detektor wurde aus Mitteln des Großgeräteprogramms der Deutschen Forschungsgemeinschaft beschafft.

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• physikalische Grundlagenforschung

Der Beitrag Dem Urknall auf der Spur: Der empfindlichste Detektor zur Messung von Radioaktivität steht nun in Dresden erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: TU Dresden 10. Juni 2022.

10. Juni 2022 – Seit Mitte 2014 beobachtet Gaia 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt den Himmel und erfasst extrem präzise die Positionen aller für den Satelliten sichtbaren Himmelsobjekte. Da jedes Objekt mehrfach beobachtet wird, lassen sich aus diesen Messungen zusätzlich Geschwindigkeiten und Entfernungen der Himmelsobjekte ableiten. Ein internationales Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter Beteiligung des Lohrmann-Observatoriums der TU Dresden verarbeitet die gewonnenen Daten weiter, um daraus die genaueste und vollständigste Karte unserer Milchstraße zu erstellen. Wurden die Positionen und Geschwindigkeiten von rund 1,8 Milliarden Himmelsobjekten schon im Dezember 2020 veröffentlicht, erweitert der nun publizierte Datensatz diese Informationen noch einmal beträchtlich.

Analog zur Volkszählung erfasst Gaia neben dem Ort noch viele weitere Daten, welche nun Inhalt des aktuellen Katalogs (DR3) sind. Einige wenige ausgewählte Highlights des an Superlativen so reichen Datenschatzes: Neben der größten jemals erfassten Sammlung astrophysikalischer Daten für Sterne der Milchstraße enthält der Katalog die meisten jemals gemessenen Spektren und Radialgeschwindigkeiten von Sternen. Während die enthaltenen Daten zu Doppelsternen sämtliche Arbeiten der letzten 200 Jahre auf diesem Gebiet übertreffen, sind z.B. die nun veröffentlichten millionenfachen Daten zu Helligkeit, Form und Rotverschiebung von Galaxien im lokalen Universum in diesem Umfang einmalig für die weltweite astronomische Gemeinschaft.

Das Dresdner Team um den TUD-Professor Sergei Klioner war dabei federführend bei der Erstellung des Quasarkatalogs mit fast zwei Millionen Einträgen. Diese Quasare, die leuchtstarken Kerne extrem weit entfernter Galaxien, bilden die Grundlage des neuen Himmelsreferenzsystems, welches von der Internationalen Astronomischen Union im August 2021 offiziell anerkannt wurde und von nun an von allen Astronominnen und Astronomen genutzt wird, um Positionen am Himmel zu beschreiben. Im Rahmen des nationalen Events berichtet Prof. Klioner in Heidelberg über diese Arbeiten und den Beitrag der Dresdner Wissenschaftler*innen zu anderen Teilen des Kataloges. Das Event kann am 13. Juni 2022 ab 11 Uhr live im Internet verfolgt werden. Informationen zur Veranstaltung sowie ein Zoom-Link für den Videostream sind auf der Webseite des Zentrums für Astronomie Heidelberg abrufbar.

Für die interessierte Öffentlichkeit bieten die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Lohrmann-Observatoriums im Rahmen dieser Datenveröffentlichung am Freitag, 1. Juli 2022, 17 Uhr einen Vortrag an der TU Dresden an. Darin informiert das Team über die Herausforderung bei der Datenverarbeitung, die faszinierende Wissenschaft mit Gaia und zukünftige Planungen. Der Vortrag wird im Raum E023 der Fakultät für Informatik (Andreas-Pfitzmann-Bau, Nöthnitzer Str. 46, 01187 Dresden) stattfinden.

Weiterführende Links
Webseite des nationalen Events am Zentrum für Astronomie Heidelberg: https://zah.uni-heidelberg.de/talks-seminars-events/standard-titel/gaia-data-release-3-june-13-2022
ESA TV: https://www.esa.int/ESA_Multimedia/ESA_Web_TV

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• GAIA

Der Beitrag Erster galaktischer Zensus beendet: Präsentation der Ergebnisse zur Zählung der Himmelsobjekte am 13. Juni. erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: TU Dresden.

8. April 2022 – Am 11. April 2022 um 16:14 Uhr werden Schülerinnen und Schüler von der Funkstation DL0TSD im DLR_School_Lab TU Dresden zur Internationalen Raumstation ISS funken, um ihre Fragen an den deutschen ESA-Astronauten Matthias Maurer loszuwerden.

Es ist nach 2014 und 2018 bereits der dritte Live-Funkkontakt des DLR_School_Lab im Rahmen des ARISS-Programms (Amateur Radio on the International Space Station). Die Schülerinnen und Schüler sind zwischen 10 und 19 Jahren alt und kommen aus verschiedenen Schulen in Dresden und Umgebung. Sie haben in den vergangenen Monaten an Wettbewerben und Veranstaltungen des DLR_School_Lab TU Dresden teilgenommen, die alle einen Bezug zum Thema Raumfahrt hatten, wie dem Deutschen Cansat-Wettbewerb 2020 oder dem Calliope Earth Observation Space-Hack Wettbewerb 2021. Um den rund zehnminütigen Live-Funkkontakt herum wird es ab 14:45 Uhr ein ca. 90-minütiges Rahmenprogramm geben. Geplant ist u.a. ein Vortrag von Dr. Tino Schmiel, Institut für Luft- und Raumfahrttechnik der TU Dresden, über das Experiment „MetabolicSpace“, das Matthias Mauer während seiner derzeitigen Mission „Cosmic Kiss“ auf der ISS durchführt.

Die Veranstaltung kann via Livestream verfolgt werden:

Bitte beachten: Aufgrund der vielen Aufgaben der Astronauten an Bord der ISS kann es trotz des bestätigten Termins auch kurzfristig noch zur Verschiebung des Kontaktes (Stunden oder auch Tage) oder sogar zur Absage kommen.

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• Matthias Maurer auf ISS Expedition 66/67

Der Beitrag Schüler:innen funken live zur ISS und interviewen ESA-Astronaut Matthias Maurer erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: TU Dresden.

16. März 2022 – Aus kleinen Veränderungen der Erdanziehungskraft ermitteln Wissenschaftler der TU Dresden Massenänderungen der Eisschilde in Grönland und Antarktika. Datenreihen dieser Eismassenänderungen stellt das Institut für Planetare Geodäsie der TU Dresden auch im Auftrag der Europäischen Weltraumagentur ESA bereit.

“GRACE” steht für „Gravity Recovery and Climate Experiment“. Die GRACE-Mission endete 2017 und wird seit 2018 durch die Mission „GRACE Follow-On“ fortgesetzt. GRACE und GRACE Follow-On funktionieren nach demselben Prinzip: Zwillingssatelliten folgen einander in ihrer Umlaufbahn in einem Abstand von etwa 200 km. Die Schwankungen dieses Abstandes werden gemessen, und zwar auf einen Tausendstel Millimeter genau. Da die Schwankungen dieses Abstands durch die Unregelmäßigkeiten der Erdanziehungskraft hervorgerufen werden, kann diese bis in die kleinsten Feinheiten bestimmt werden. Die unmittelbaren Messungen, sozusagen die Rohdaten, bearbeiten u.a. die Kolleg*innen am Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum und liefern damit die Ausgangsdaten für die Analysen der Dresdener Geodäten.

Von 2002 bis 2021 hat der Grönländische Eisschild rund 5000 Milliarden Tonnen Masse verloren, der Antarktische Eisschild rund 1800 Milliarden Tonnen. Eine Milliarde Tonnen entspricht der Masse eines Kubikkilometers Wasser. Das Schmelzwasser vermehrt die Wassermassen des Ozeans und sorgt für rund ein Viertel des globalen Meeresspiegelanstiegs.

Martin Horwath, Professor für Geodätische Erdsystemforschung, erklärt: „Messen liefert Fakten. Die Bestimmung von Eismassenänderungen mit Hilfe der Gravitationskraft ist ein einzigartiges Verfahren, weil uns dabei eigentlich keine Änderungen entgehen können. In Verbindung mit weiteren Satellitenmethoden, z.B. der Vermessung von Eisoberflächenhöhen und Fließgeschwindigkeiten, liefert diese Methode ein detailliertes Bild gegenwärtiger Änderungen der Eisschilde.“

„Die Abnahme von Eis auf den Kontinenten führt zur Zunahme der Wassermassen der Ozeane. Und auch diese können wir mit Hilfe ihrer Gravitationswirkung messen.“

„In den resultierenden Datenreihen stecken viele Jahre Entwicklungen der Auswertemethodik. Und die Ergebnisse sind auf unserem Datenportal frei zugänglich, für Schüler*innen ebenso wir für Klimaforscher*innen.“

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• 2x GRACE-FO und 5x Iridium NEXT auf Falcon 9 ♺

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Quelle: TU Dresden.

15. März 2022 – Jede und jeder kennt die Anekdote von Newton und dem Apfel. Da die Gravitation eine Wechselwirkungskraft ist, wird die Erde auch von dem Apfel angezogen. Damit ist klar, dass auch kleine Massenänderungen zu einer Veränderung des Schwerefelds führen.

Um diese kleinen Änderungen aufzuspüren, war ein Team aus deutschen und argentinischen Wissenschaftlern im südlichen Patagonien, in der argentinischen Provinz Santa Cruz unterwegs. Wissenschaftler der TU Dresden (TUD), des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie (BKG) Leipzig, der Universidad Nacional de La Plata (UNLP) und des Argentine-German Geodetic Observatory (AGGO) haben die fünfwöchige Messkampagne Anfang März 2022 beendet und danach die mehr als 2.700 km lange Rückfahrt von El Calafate nach La Plata angetreten.

Im südlichen Patagonien, im Grenzgebiet zwischen Argentinien und Chile, befindet sich mit den Patagonischen Eisfeldern die größte zusammenhängende Eismasse auf der südlichen Hemisphäre außerhalb Antarktikas. Diese Eisfelder sind erheblichen Massenverlusten ausgesetzt, die größtenteils auf den Klimawandel, aber auch auf die natürliche Klimavariabilität und andauernde dynamische Ausgleichsvorgänge seit dem letzten glazialen Maximum zurückzuführen sind. Welche Anteile diesen verschiedenen Ursachen tatsächlich zugeschrieben werden können, ist eine der wichtigen offenen Fragen, zu denen aktuell geforscht wird und dieses Projekt einen Beitrag liefern soll.

Diese Massenänderungen erreichen eine Größenordnung von bis zu einem Fünftel der Antarktischen Eismassenverluste und bewirken sowohl eine Veränderung des Schwerefelds als auch Deformationen der Erdkruste. Letztere äußern sich in einer Krustenhebung von bis zu 4 cm pro Jahr, ermittelt durch vorhergehende Messungen der TUD-Wissenschaftler. Erschwert wird die Detektion dieser resultierenden Änderungen aber durch eine komplizierte tektonische Situation: Ungefähr 150 km nordwestlich des Nördlichen Patagonischen Eisfelds treffen drei tektonische Platten aufeinander. Wo die divergente Plattengrenze zwischen der Antarktischen und Nazca-Platte unter die Südamerika-Platte abtaucht (subduziert), öffnet sich ein Asthenosphären-Fenster, was zu außergewöhnlichen, bisher nur unzureichend verstandenen Massenumverteilungen im Erdinneren führt.

Als wichtigste Größe wurde der Schwerewert an acht Messpunkten bestimmt, von der Atlantikküste in Puerto San Julian bis zum östlichen Rand des südpatagonischen Eisfelds mit dem Glaciar Perito Moreno als bekanntestem Gletscher. Dafür wurde ein Absolutgravimeter des Typs Micro-g LaCoste FG5 eingesetzt, mit dessen Hilfe es möglich ist, die Schwerebeschleunigung mit einer extrem hohen Genauigkeit von nahezu einem Milliardstel der Erdschwere zu bestimmen. Ergänzt werden diese Messungen durch Relativschweremessungen mit einem Scintrex CG5-Gravimeter zur Bestimmung von lokalen Schweregradienten und Anschlüssen an Sicherungspunkte bzw. Punkte des argentinischen Schwerenetzes (RAGA) sowie durch präzise GPS-Messungen zur Bestimmung der Krustendeformation. Eine Besonderheit stellen Wasserstandsmessungen mittels GPS-Reflektometrie an den großen patagonischen Seen und der Atlantikküste dar: Die indirekt empfangenen, an der Wasseroberfläche reflektierten Signale der GPS-Satelliten werden in der Auswertung dazu genutzt, die Höhe des Wasserspiegels und damit den Gravitationseffekt von Füllstandsänderungen des jeweiligen Gewässers zu bestimmen.

„Um die Schwereänderungen aufgrund der Massenverluste zu detektieren, ist nach dieser bereits zweiten mindestens eine weitere Messkampagne notwendig“, sagt Thorben Döhne, Doktorand an der Professur für Geodätische Erdsystemforschung, verantwortlich vor allem für die Relativschweremessungen. „Allerdings stellen die Wetterbedingungen, vor allem mit den heftigen, andauernden Winden, und die nicht immer einfachen logistischen Umstände, z.B. beim Transport von Mensch und Material über unbefestigte Straßen und Furten, besondere Herausforderungen an ein solche Messkampagne“, berichtet Andreas Richter, ehemals an der TU Dresden und nun an der UNLP tätig. Die Forscher hoffen, indem sie die absolut gemessenen Schwereänderungen und die mittels GPS bestimmten Krustendeformationen ins Verhältnis setzen, neue Einsichten in die Struktur des Erdinneren und die Natur der beobachteten Deformationsprozesse zu gewinnen. „Außerdem wird es helfen, die an der Erdoberfläche durchgeführten, also bodengebundenen Messungen mit satellitengeodätischen Messungen der Massenbilanz und Höhenänderung der Patagonischen Eisfelder zu verknüpfen“, ergänzt Döhne.

Das Forschungsvorhaben „Gravimetrische Bestimmung der Reaktion der festen Erde auf Eismassenänderungen in Süd-Patagonien“ wird gemeinsam von Mirko Scheinert (TU Dresden) und Axel Rülke (BKG Leipzig) geleitet und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft durch eine Sachbeihilfe finanziert.

Dank
Die beteiligten Wissenschaftler bedanken sich ausdrücklich für die Unterstützung durch die Universidad Nacional de La Plata, Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas (Dekan: Prof. Raúl Perdomo), das Argentinisch-Deutsche Geodätische Observatorium (Wissenschaftlicher Direktor: Prof. Claudio Brunini), das Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) sowie das Instituto Geográfico Nacional (Direktor: Sergio Cimbaro).

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• Klimawandel

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Quelle: TU Dresden.

1. März 2022 – Seit 2020 laufen die Planungen für die erste Kleinsatellitenmission SeRANIS (Seamless Radio Access Networks for Internet of Space) an der Universität der Bundeswehr München (UniBw M). Das Ziel: Eine Dual Use Mission zusammen mit Partnern aus Forschung, Praxis und Bundeswehr. Im Rahmen der Challenge „Per Anhalter in den Orbit“ konnten sich innovative Start-ups und Forschungseinrichtungen auf einen Platz für eine In-Orbit-Demonstration ihres Projektes im Satelliten bewerben. Das Start-Up PaTTs (Passive Tag Tracking by Satellites) der TU Dresden hat es in die finale Runde des Wettbewerbes geschafft und könnte ein Teil der SeRANIS-Satellitenmission werden.

Bei PaTTs handelt es sich um ein neuartiges und ultraleichtes Tracking-System mittels kleiner Chips (sog. „Tags“), die es dem Satelliten ermöglichen, Fahrzeuge, Gefahrstoffe oder Tierwanderungen zu verfolgen. Die Innovation daran ist, dass auf den zu beobachtenden Objekten keine eigenen Sender angebracht werden müssen. Vergleichbar sind die Tags mit RFID-Chips – nur, dass die Entfernung nicht wenige Meter, sondern hunderte Kilometer beträgt. Zudem sind sie flexibel und unabhängig von Funknetzen und globalen Navigationssatellitensystemen, sodass aufgrund des fehlenden Sendebetriebs eine „Fremddetektion“ schwer möglich wird. Einsatzgebiete von PaTTs liegen u.a. in den Bereichen Umweltmonitoring, Landwirtschaft und Logistik.

PaTTs ist eines von sechs Projekten, dass als aussichtsreich eingeschätzt wurde. „In der Tat handelt es sich dabei um eine besonders innovative Bewerbung, die unsere hochkarätige Jury überzeugt hat“, so Prof. Andreas Knopp, Projektleiter der SeRANIS-Satellitenmission.

„Wir sehen eine große Überschneidung von PaTTS mit den Zielen und Technologiefeldern von SeRANIS wie Kommunikation, Navigation, Erdbeobachtung, Satellitentechnologie, Resilienz und Entwicklungsmanagement.“, so Fabian Geißler, Ingenieur im PaTTs-Team an der Professur für Hochfrequenztechnik der TU Dresden. „SeRANIS ist für uns die Chance, der Welt zu zeigen, wie unsere bahnbrechende Technologie in verschiedensten Bereichen eingesetzt werden kann. Die realistische technische Demonstration des Systems auf dem Missionssatelliten wäre eine einmalige Gelegenheit für uns, es auf Machbarkeit hin zu prüfen und weiterentwickeln zu können. Zudem können wir von den Mentoring-Möglichkeiten stark profitieren.“

In den nächsten Wochen wird das Team der TU Dresden, gemeinsam mit den Mitbewerbern, detailliert evaluiert und entsprechend geschult. Hierbei arbeiten die Weltraumforscher*innen mit den Start-up-Coaches von founders@unibw (Entrepreneurship- und Intrapreneurship-Programm an der UniBw M) zusammen.

SeRANIS an der Universität der Bundeswehr München gilt als weltweit erste und einzige Kleinsatellitenmission, die ein öffentlich zugängliches multifunktionales Experimentallabor im erdnahen Orbit zur Verfügung stellt. Auf einem über 200 Kilogramm schweren Satelliten, der 2025 in den Orbit geschickt werden soll, können simultan mehr als zehn komplexe Experimente zu Themen wie Mobilfunksysteme der nächsten Generation (6G), Internet of Things und Laserkommunikation durchgeführt werden. Besondere Schwerpunkte dieser New Space Mission sind die Erforschung sicherer Kommunikationswege und die Schaffung eines nahtlosen Übergangs zwischen verschiedenen Netzwerken. Die wissenschaftlichen Erkenntnisse aus diesem Projekt fördern die Entwicklung von Schlüsseltechnologien am High-Tech-Standort Deutschland und leisten einen wichtigen Beitrag zur Digitalisierung im Weltall.

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• Erdbeobachtung – Diskussion

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Quelle: TU Dresden.

7. Februar 2022 – Seit dem Beginn genauer Satellitenbeobachtungen in den 1990er Jahren ist der globale mittlere Meeresspiegel um mehr als 3 Zentimeter pro Jahrzehnt gestiegen. Für gut ein Drittel des Anstiegs ist die thermische Ausdehnung des sich erwärmenden Meerwassers verantwortlich. Für die übrigen knapp zwei Drittel sorgen die Wassermassen, die dem Ozean hinzugefügt werden, vor allem durch das Schmelzen von Gletschern und Eisschilden. Dieses Schmelzen hat seit den 1990er Jahren deutlich zugenommen, wodurch sich auch das Tempo des Meeresspiegelanstiegs erhöht hat. Eine Abnahme der an Land gespeicherten Wassermenge, insbesondere durch Grundwasserzehrung aufgrund von Wasserförderung, hat ebenfalls zum Meeresspiegelanstieg beigetragen.

Als eine Probe dafür, wie gut Wissenschaftler die am Meeresspiegelanstieg beteiligten Vorgänge verstehen, vergleichen sie den gemessenen Meeresspiegelanstieg mit der Summe aus den einzeln abgeschätzten Beiträgen der thermischen Ausdehnung des Ozeans und seines Massenzuwachses. Sie stellen also ein ‚Meeresspiegelbudget‘ auf. Den Massenzuwachs des Ozeans kann man ermitteln, indem man die Beiträge aus der Massenabnahme des Grönländischen Eisschildes, des Antarktischen Eisschildes und aller übrigen Gletscher weltweit sowie den Beitrag der Änderung kontinentaler Wasserspeicherung einzeln bestimmt. Der Massenzuwachs kann alternativ auch direkt von Satelliten gemessen werden, die kleinste Änderungen der Schwerkraft messen, wie sie durch eine Zu- oder Abnahme von Wasser- und Eismassen in einer bestimmten Region verursacht werden.

Die Europäische Weltraumagentur ESA stellt im Rahmen ihrer Climate Change Initiative (CCI) langfristige, globale Datenreihen von Klimavariablen bereit, die aus Messungen von Erdbeobachtungssatelliten gewonnen werden. Einige dieser Datenreihen stehen mit dem Meeresspiegel in Zusammenhang. Im Projekt „CCI Sea Level Budget Closure“ hat nun ein Konsortium aus zehn europäischen Forschungseinrichtungen diese Datenreihen gemeinsam mit Blick auf das Meeresspiegelbudget analysiert. Datensätze, die innerhalb von CCI nicht vorlagen, wurden speziell für diesen Zweck erstellt oder von anderen Quellen hinzugezogen.

Hintergründe zu Messmethoden und Modell-Berechnungen
Dichteänderungen des Ozeanwassers, und damit dessen thermische Ausdehnung, wurden mit Hilfe einer neuartigen Kombination von Temperatur- und Salzgehaltsmessungen des Argo-Treibbojen-Netzwerks mit aus Satellitendaten abgeleiteten Meeresoberflächentemperaturen bestimmt. Um Änderungen des Grönländischen und Antarktischen Eisschildes zu bestimmen, wurden sowohl Satellitenmessungen von Höhenänderungen der Oberfläche als auch Satellitenmessungen von Änderungen der Erdanziehungskraft herangezogen. Änderungen der Gletscher weltweit wurden durch ein globales Gletschermodell, gestützt durch Fernerkundungsdaten, ermittelt. Kontinentale Wasserspeicherungsänderungen wurden durch ein globales Hydrologie-Modell berechnet, dafür wurde dessen Erfassung der Grundwasserentnahme weiterentwickelt.

Von 1993 bis 2016 stieg der globale Meeresspiegel laut Satellitenmessungen im Mittel um 3,0 Millimeter pro Jahr (mm/Jahr). Der Beitrag thermischer Ausdehnung wird mit 1,1 mm/Jahr abgeschätzt. Das sind 38 % des gemessenen Meeresspiegelanstiegs. Der Massenbeitrag wurde mit 1,7 mm/Jahr ermittelt (57 % des gemessenen Anstiegs). Er enthält 0,6 mm/Jahr (21 %) von den Gletschern außerhalb von Grönland und Antarktis, 0,6 mm/Jahr (20 %) von Grönland, 0,2 mm/Jahr (6 %) von der Antarktis und 0,3 mm/Jahr (10 %) von der Abnahme der kontinentalen Wasserspeicherung. Im jüngeren Teilzeitraum von 2003 bis 2016 war der Meeresspiegelanstieg stärker (3,6 mm/Jahr), weil der Massenbeitrag zugenommen hat. Dieser betrug nun etwa 2,4 mm/Jahr und damit 66% des gesamten Meeresspiegelanstiegs, während der thermische Ausdehnungseffekt mit etwa gleichbleibenden 1,2 mm/Jahr nur noch 33 % ausmachte. Die Ergebnisse stehen im Einklang mit anderen Studien der letzten Zeit. Durch die hier erfolgte Weiterentwicklungen von Methoden und Datensätzen gewinnen sie noch einmal an Zuverlässigkeit. Dafür sorgt nicht zuletzt, dass die erreichbaren Genauigkeiten für alle Teilgrößen nach einem einheitlichen Schema beziffert werden. Die sich daraus ergebende Restunsicherheit beläuft sich auf etwa 10 % des Meeresspiegelanstiegs. Tatsächlich passen der gemessene Meeresspiegelanstieg und die Summe der Beiträge bis auf diese Restunsicherheit zusammen.

Aus der Studie ergibt sich weiterer Forschungsbedarf zum Verständnis der Satellitenmessungen und der betrachteten physikalischen Prozesse. Beispielsweise beeinflussen Bewegungen der festen Erde unter dem Ozean einige Satellitenmessungen. Diese Effekte müssen von Änderungen im eigentlichen Ozean unterschieden werden und tragen zur Restunsicherheit im Meeresspiegelbudget bei.

Zitate
Martin Horwath (Technische Universität Dresden) wissenschaftlicher Leiter der Studie: „In diese Neuaufstellung des Meeresspiegelbudgets fließt neben Weiterentwicklungen von Datenprodukten vor allem auch die Abstimmung von Experten unterschiedlicher Disziplinen ein, aus der ein einheitlicher Rahmen für die Analysen erwachsen ist.“
Er ergänzt: „Ein Teil der Ergebnisse ging bereits 2021 in den Sechsten Sachstandsberichts des Weltklimarats IPCC ein. Nun stehen alle Datenreihen und ihre Dokumentation bereit.“

Jérôme Benveniste (ESA/ESRIN), der die Studie initiiert und betreut hat, fügt hinzu: „Dies ist ein Ertrag von Forschung und Entwicklung an der Auswertung von Erdbeobachtungsdaten, die im Rahmen der Climate Change Initiative (CCI) der ESA über viele Jahre vorangetrieben wurde. Es ist schön zu erleben, wie die Datenreihen wesentlicher Klimavariablen (Essential Climate Variables) aus CCI-Projekten sich zu einem stimmigen und präzisen Bild des Klimas und seiner Änderungen zusammenfügen. Die Arbeit endet nicht bei diesem beeindruckenden Meilenstein. Weitere Fragen, zum Beispiel zur Klimavariabilität und ihrer Entwicklung, bleiben zu beantworten.“

Benjamin Gutknecht (Technische Universität Dresden), Projektwissenschaftler, erläutert: „In dieser Studie war es uns auch wichtig aufzuzeigen, in welchem Maße Messergebnisse von der Auswertemethodik beeinflusst werden können. Indem wir zum Beispiel neue Erkenntnisse zur Massenumverteilung der festen Erde berücksichtigen, erhalten wir eine neue Einschätzung darüber, wie zuverlässig die Ergebnisse zum Trend der Ozeanmasse tatsächlich sind. Die Trennung solcher Effekte in den Messungen bleibt eine Herausforderung.“

Petra Döll (Goethe Universität Frankfurt), als Mitautorin verantwortlich für die Abschätzung des Beitrags kontinentaler Wasserspeicherungsänderungen zum Meeresspiegel: „Die kontinentale Wasserspeicherung schwankt saisonal und von Jahr zu Jahr, und dies spiegelt sich darin wider, dass der Meeresspiegel im globalen Mittel um einige Millimeter auf und ab schwankt. Insgesamt hat die Wasserspeicherung an Land, besonders die Speicherung von Grundwasser, in den letzten Jahrzehnten aber abgenommen und damit den Meeresspiegelanstieg verstärkt.“

Originalpublikation:
Horwath, M., Gutknecht, B. D., Cazenave, A., Palanisamy, H. K., Marti, F., Marzeion, B., Paul, F., Le Bris, R., Hogg, A. E., Otosaka, I., Shepherd, A., Döll, P., Cáceres, D., Müller Schmied, H., Johannessen, J. A., Nilsen, J. E. Ø., Raj, R. P., Forsberg, R., Sandberg Sørensen, L., Barletta, V. R., Simonsen, S. B., Knudsen, P., Andersen, O. B., Ranndal, H., Rose, S. K., Merchant, C. J., Macintosh, C. R., von Schuckmann, K., Novotny, K., Groh, A., Restano, M., and Benveniste, J.: Global sea-level budget and ocean-mass budget, with a focus on advanced data products and uncertainty characterisation, Earth System Science Data, 14, 411–447, 2022.
pdf: https://essd.copernicus.org/articles/14/411/2022/essd-14-411-2022.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: TU Dresden.

26. Januar 2022 – In den letzten Jahren haben eine ganze Reihe von spektakulären Weltraummissionen wie Landungen von Robotern auf dem Mars und auf der erdabgewandten Seite des Mondes stattgefunden, die eindrucksvoll demonstrieren, welche technischen Möglichkeiten inzwischen zu Verfügung stehen. Dies eröffnet neue Perspektiven für bemannte Missionen zunächst zum Mond (auf dem zuletzt 1972 Astronauten gelandet sind), später aber auch zum Mars. Um das Risiko für die Astronaut*innen bei solchen sehr lange dauernden Expeditionen möglichst gering zu halten, forschen die internationalen Raumfahrtagenturen intensiv daran, von der Erde unabhängige Systeme zu entwickeln, die bei technischen, aber auch gesundheitlichen Problemen eingesetzt werden können. Während Crew-Mitglieder auf der Internationalen Raumstation ISS bei Eintreten eines Notfalls immer sehr kurzfristig auf die Erde zurückkehren können, ist dies bei einer Marsmission aus verschiedenen Gründen, wie der Bahnmechanik oder den verfügbaren Ressourcen, ausgeschlossen.

Eine zentrale Rolle bei solchen Notfallsystemen spielen die additiven Herstellungsverfahren, oft vereinfachend als 3D-Druck bezeichnet. Im technischen Bereich lassen sich damit einerseits große Strukturen unter Nutzung der vorgefundenen Ressourcen erzeugen und andererseits schnell und flexibel Ersatzteile für Raumschiff oder Bodenfahrzeuge herstellen. Aber auch beim Auftreten ernsthafter gesundheitlicher Probleme, beispielsweise im Zusammenhang mit einer Verletzung, kann der 3D-Druck helfen. Hier kommt das sogenannte „Bioprinting“ ins Spiel, welches das dreidimensionale Drucken lebender Zellen zu gewebeartigen Konstrukten beschreibt. Das Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung – eine Zentrale Wissenschaftliche Einrichtung von Universitätsklinikum und Medizinischer Fakultät der TU Dresden unter der Leitung von Prof. Michael Gelinsky – gehört zu den deutschlandweit führenden und auch international erfolgreichen Laboren auf dem Gebiet des Bioprintings.

Beauftragt und finanziert durch die Europäische Weltraumagentur ESA und zusammen mit dem Bremer Weltraumtechnologie-Konzern OHB hat das Zentrum 2018 begonnen, den möglichen Einsatz des Bioprintings bei Weltraummissionen zu untersuchen; ein damals völlig neues Thema. Neben der Herstellung von Ersatzgeweben, beispielsweise zur Behandlung von schweren Verletzungen der Haut oder komplexen Knochenbrüchen, können mit dem Bioprinting auch sehr definierte Gewebemodelle erzeugt werden, an denen z. B. auf der ISS der Einfluss der Weltraumbedingungen wie Schwerelosigkeit und kosmische Strahlung auf Zellen und Gewebe untersucht werden können. Um Wissenschaftler*innen diese Möglichkeit der lebenswissenschaftlichen Grundlagenforschung zu eröffnen und den Einsatz des Bioprintings in der Weltraummedizin weiter zu erforschen hat die ESA inzwischen beschlossen, einen 3D-Bioprinter für das Biolab im Columbusmodul der ISS zu bauen. Dieser soll dort ab 2025 für Experimente zu Verfügung stehen. Derweil hat die ESA das Bioprinting-Labor von Prof. Gelinsky und Dr. Anja Lode in Dresden zu einer „ESA Ground-Based Facility“ erklärt, was europäischen Forscher*innen die Möglichkeit gibt, unterstützt durch die ESA in Dresden vorbereitende Untersuchungen mit der dort vorhandenen, hervorragenden Ausstattung und beraten durch die Dresdner Expert*innen durchzuführen.

Um diese Entwicklungen und Möglichkeiten auch international weiter bekanntzumachen werden die ESA, die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die TU Dresden am 15. & 16. März in Dresden einen Workshop zum Thema „Bioprinting im Weltraum“ veranstalten. Dieser soll dem Austausch zwischen Astronauten, Bioprinting-Experten und Fachleuten auf dem Gebiet lebenswissenschaftlicher Forschung im Weltraum dienen und Experimente anregen, welche zur Vorbereitung des Einsatzes der Bioprinting-Technologie auf der ISS notwendig sind.

Ein „in situ-Hautdrucker“ hat derweil schon den Weg auf die ISS gefunden: ein vom DLR beauftragtes und von OHB gebautes Gerät, mit dem ein zellhaltiges Hydrogel zur Beschleunigung der Heilung direkt auf eine Wunde aufgebracht werden kann, wird von Matthias Maurer im Rahmen seines aktuellen, sechsmonatigen Aufenthalts auf der ISS mit Modellmaterialien getestet werden. Die zugehörige ESA-Weltraummission trägt den schönen Namen „Cosmic Kiss“. Professor Gelinsky von der TU Dresden ist als wissenschaftlicher Berater von der Erde aus mit dabei.

Publikation:
N. Cubo Mateo, S. Podhajsky, D. Knickmann, K. Slenzka, T. Ghidini, M. Gelinsky: Can 3D bioprinting be a key for exploratory missions and human settlements on the Moon and Mars? Biofabrication 2020, 12, 043001.

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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Quelle: DLR.

Am 22. Januar 2021 soll der Kleinsatellit SOMP2b um 15:25 Uhr mitteleuropäischer Zeit (09:25 Uhr Ortszeit) mit einer Falcon-9-Rakete vom Weltraumbahnhof Cape Canaveral in Florida (USA) ins All starten. Ein wesentliches Ziel der Mission ist der Nachweis, dass maßgebliche Forschung – sowohl im wissenschaftlichen als auch technologischen Bereich – mit kleinen Satelliten geleistet werden kann. „Zwei der größten Vorteile von Kleinsatelliten sind die verhältnismäßig kurzen Vorbereitungszeiten und die geringen Kosten bei der Entwicklung, aber auch beim Start“, erklärt Markus Wagener, Leiter des Kleinsatelliten-Programms im Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR). An Bord des SOMP2b-Satelliten der Technischen Universität Dresden werden sich drei Experimente zur Atmosphärenforschung und Erprobung von Raumfahrttechnik befinden. Neben SOMP2b wird die Falcon-9-Rakete auch den Kleinsatelliten PIXL-1 mit dem DLR-Laserterminal OSIRIS4CubeSat/CubeLCT in den Orbit bringen.

Neuartige Bauweise für mehr Sicherheit und zusätzliche Nutzlastkapazität
Nur 10x10x20 Zentimeter groß und zwei Kilogramm schwer ist der SOMP2b-Satellit (Student On-Orbit Measurement Project Number 2b). „In einer Flughöhe von rund 500 Kilometern wird er die Erde mindestens zwei Jahre lang umrunden und dabei täglich 16 Sonnenauf- und -untergänge durchlaufen“, erläutert Professor Martin Tajmar, Leiter des Instituts für Luft- und Raumfahrt der TU Dresden. „Diesen Umstand nutzt das Experiment TEG an Bord des Satelliten: Es testet ein neu entwickeltes Material, das Temperaturschwankungen in elektrische Energie umwandelt.“ Ein weiteres Experiment, FIPEXnano, wird den Druck in der Thermosphäre messen. Diese Daten sind wichtig für die Verbesserung von Atmosphärenmodellen und die Vorhersage von Klimaänderungen. Mit CIREX wollen die Wissenschaftler Materialien für innovative Folien testen, die Schutz vor hochenergetischer Teilchenstrahlung bieten und zukünftig Anwendung in der Raumfahrttechnik, aber auch in der Medizin- oder Kraftfahrttechnik, finden sollen.

Das Besondere an SOMP2b ist seine neuartige Bauweise: Nahezu alle Funktionen eines Satelliten wurden miniaturisiert und in jede einzelne Seitenwand eingebaut. Dadurch sind alle vier Seitenwände gleich gestaltet, und bei einem Ausfall einer Funktion stehen drei Ersatzfunktionen zur Verfügung. Durch diesen Aufbau bietet der Innenraum des Satelliten außerdem Platz für wissenschaftliche Experimente. Wenn sich dieser neuartige Aufbau bewährt, können nachfolgende Satellitenentwicklungen zukünftig davon profitieren.

Picosatelliten haben die Dimensionen eines Ziegelsteins
Die Möglichkeiten zur Miniaturisierung von Bauteilen verbessern sich kontinuierlich – darüber bieten sich zunehmend Chancen, Nutzlasten sehr klein zu bauen. Als Folge können auch Satelliten erstaunlich kompakt gehalten werden. „Wir sprechen hier von Minisatelliten, die nur so groß wie ein normaler Kühlschrank sind, aber auch von Picosatelliten mit den Dimensionen eines Ziegelsteins.“, führt Markus Wagener aus. „Aktuell umfasst das universitäre Kleinsatelliten-Programm der Bundesregierung über 20 Vorhaben in unterschiedlichen Stadien, von der ersten Konzeption bis zum Abschluss einer vollständigen Mission.“

Die Nachfrage nach der Förderung von Kleinsatellitenprojekten ist sehr groß, sowohl aus wissenschaftlichen und anwendungsnahen Bereichen wie der Erdbeobachtung und der Satellitenkommunikation, als auch aus dem Technologiesektor. Dieser profitiert davon, dass neue Materialien, Bauteile und Komponenten mit Hilfe von kompakten Satelliten bereits nach einer relativ kurzen Vorbereitungszeit von zwei bis drei Jahren im Weltraum auf ihre Tauglichkeit getestet werden können. Auch die geringen Startkosten der kleinen Satelliten sind attraktiv, denn der Preis für den Transport mit einer Trägerrakete wird nach Gewicht berechnet.

Studierende an Entwicklung und Bau beteiligt
Der Satellit SOMP2b wurde von Studenten, Doktoranden und Wissenschaftlern des Instituts für Luft- und Raumfahrttechnik der TU Dresden entwickelt und gebaut. Der FIPEXnano Sensor wurde von der TU Dresden in Kooperation mit Industrieunternehmen im Auftrag der University College London (UCL) entwickelt. Der Satellit und die Wissenschaft werden durch das DLR Raumfahrtmanagement mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) sowie durch die ESA, die EU und die Industrie gefördert.

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• Transporter-1 auf Falcon 9 (B1058.5)

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Quelle: TU Dresden.

Der Markt mit kleinen Satelliten wird in den kommenden Jahren boomen. Großbritannien plant im Norden Schottlands den ersten Weltraumbahnhof auf europäischem Boden und auch der Bundesverband der Deutschen Industrie BDI hält einen Weltraumbahnhof hierzulande für sinnvoll. Von dort sollen kleine bis mittelgroße Trägerraketen Forschungsinstrumente und kleine Satelliten ins All bringen. Diese Microlauncher sind für eine Nutzlast von bis zu 350 Kilogramm ausgelegt. Eine effiziente Art, diese Microlauncher anzutreiben, sind sogenannte Aerospike-Triebwerke. Diese stellen nicht nur eine erhebliche Massereduktion, sondern auch eine signifikante Treibstoffersparnis in Aussicht. Im Laufe der letzten beiden Jahre hat ein Forscherteam des Instituts für Luft- und Raumfahrttechnik der TU Dresden zusammen mit dem Fraunhofer IWS ein solches Aerospike-Triebwerk entwickelt, gefertigt und getestet. Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF gefördert. Die Besonderheit: Treibstoffinjektor, Brennkammer und Düse werden per Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), einem additiven Fertigungsverfahren, Schicht für Schicht hergestellt. Die Düse selbst besteht aus einem stachelförmigen Zentralkörper, über den die Verbrennungsgase beschleunigt werden.

»Die technologische Konzeption der Aerospike-Triebwerke ist erstmals in den 1960er Jahren aufgekommen. Aber nur durch die Freiheiten der Additiven Fertigung und die Einbettung dieser in konventionelle Prozessketten ist es uns möglich, so effiziente Triebwerke überhaupt herzustellen«, sagt Michael Müller, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Additive Manufacturing Center Dresden (AMCD), das gemeinsam von der TU Dresden und dem Fraunhofer IWS betrieben wird. Aerospike Rocket Engines versprechen eine Treibstoffeinsparung von etwa 30 Prozent gegenüber konventionellen Raketen.
Darüber hinaus sind sie kompakter als konventionelle Systeme, wodurch die Masse des Gesamtsystems sinkt. »In der Raumfahrt ist jedes eingesparte Gramm Gold wert, da man weniger Treibstoff in den Orbit mitnehmen muss. Je schwerer das Gesamtsystem, desto weniger Nutzlast kann transportiert werden«, erläutert Mirco Riede, Gruppenleiter 3D-Generieren am Fraunhofer IWS und Kollege von Michael Müller. Die Dresdner Aerospike-Düse der TU Dresden und des Fraunhofer IWS passt sich auf dem Weg von der Erde in den Orbit besser an die Druckverhältnisse an. Dadurch ist sie effizienter und benötigt weniger Treibstoff als herkömmliche Triebwerke.

Additiv gefertigte Düse mit konturnaher Kühlung

»Bei der Herstellung der Rakete aus Metall haben wir uns für die Additive Fertigung entschieden, da das Triebwerk eine sehr gute Kühlung und innen liegende Kühlkanäle erfordert. Dieses komplexe regenerative Kühlsystem mit innen liegenden, verschlungenen Strukturen lässt sich konventionell nicht fräsen oder gießen«, so Mirko Riede. Das Pulver wird Schicht für Schicht aufgetragen und anschließend selektiv per Laser aufgeschmolzen. So entsteht nach und nach das Bauteil inklusive der einen Millimeter breiten Kühlkanäle, die der Kontur der Brennkammer folgen. Das Pulver wird nachträglich aus den Kanälen herausgesaugt. Die Anforderungen an das Metall: Es muss bei hohen Temperaturen fest sein und Wärme gut leiten können, um eine optimale Kühlung zu gewährleisten. »In der Brennkammer herrschen Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius, insofern ist eine aktive Kühlung erforderlich«, erläutert Michael Müller.

In dem Projekt »CFDμSAT«, das im Januar 2020 startete, legen die Wissenschaftler der TU Dresden und des Fraunhofer IWS den Fokus auf das Einspritzsystem, um die Effizienz der Antriebssysteme weiter zu steigern. Assoziierte Partner im Projekt sind die ArianeGroup und die Siemens AG. Die Fertigung der Injektoren stellt besonders hohe Anforderungen an Design und Fertigung. »Man nutzt die Treibstoffe erst zur Kühlung des Triebwerks, sie erwärmen sich und werden dann in die Brennkammer eingebracht. Dabei werden flüssiger Sauerstoff und Ethanol separat zugeführt und über einen Injektor zusammengeführt. Das so entstehende Gasgemisch wird gezündet. Es dehnt sich in der Brennkammer aus, strömt dann durch einen Spalt in der Brennkammer und wird über die Düse entspannt und beschleunigt«, erklärt Müller den Vorgang der Schubentwicklung.

Triebwerk im Heißfeuertest

Auf dem Teststand des Instituts für Luft- und Raumfahrttechnik der TU Dresden testeten die Dresdner Forscher den Prototypen des Aerospike-Triebwerks bereits. Sie erzielten eine Brenndauer von 30 Sekunden. »Das ist ein besonderer Vorgang, denn bislang gibt es noch kaum Tests von Aerospike-Düsen«, sagt Müller. »Wir haben nachgewiesen, dass sich mittels Additiver Fertigung ein funktionierendes Flüssigkeitstriebwerk herstellen lässt.«

Das Projekt ist ein Beispiel für die enge Kooperation der TU Dresden mit außeruniversitären Forschungseinrichtungen im Rahmen des Wissenschaftsverbunds DRESDEN-concept. Im Projekt übernimmt die TU Dresden das Design und die Auslegung des Triebwerks, das Fraunhofer IWS ist im Vorhaben für die Prozesskette verantwortlich:
Im ersten Schritt wurde das Design an den additiven Fertigungsprozess angepasst, anschließend folgte die Auswahl des Materials sowie die Ermittlung der Materialkennwerte. Per Laser Powder Bed Fusion wurde das Triebwerk aus zwei Komponenten gedruckt und an den Funktionsflächen nachbearbeitet. Im Anschluss wurden die Bauteile per Laserstrahlschweißen gefügt und mit zerstörungsfreier Computertomografie auf Fehlstellen und andere Fehler überprüft. Beispielsweise lässt sich so feststellen, ob Kühlkanäle durch versintertes Pulver verstopft sind. Dies zeigt branchenübergreifend, wie AM-Verfahren sinnvoll in bestehende Prozessketten integriert werden können, um Entwicklungen voranzutreiben.

Mehr Informationen

Das Institut für Luft- und Raumfahrtechnik mit der Professur für Luftfahrzeugtechnik, der Professur für Raumfahrtsysteme sowie der experimentellen Arbeitsgruppe für Aerodynamik ist seit mehr als 20 Jahren fester Bestandteil der Technischen Universität Dresden. Revolutionäre Antriebe und neue Konzepte für das Raumschiff der Zukunft gehören hier zum Tagesgeschäft. Dafür bietet die Professur für Raumfahrtsysteme ein umfangreiches Forschungs- und Ausbildungsprogramm von den Grundlagen der Raketen- und Satellitentechnik bis hin zu wissenschaftlichen Nutzlasten und Experimenten, die mit Studenten gemeinsam entwickelt, getestet und geflogen werden – z. B. auf eigenen Satelliten, Höhenforschungsraketen oder auf der Internationalen Raumstation ISS. Der Forschungsfokus liegt dabei insbesondere auf neuartigen Systemen wie z.B. miniaturisierte Ionentriebwerke oder höhenanpassbare Düsen, sowie auf Energie- und miniaturisierten Gassensor-Systemen für die Raumfahrt. Gemeinsam mit der Industrie arbeiten die Wissenschaftler intensiv an terrestrischen Anwendungen der Raumfahrt-Technologien im Rahmen von Spin-Offs.

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Quelle: ESA.

Diese hochmodernen Proben wurden von Wissenschaftlern des Universitätsklinikums der Technischen Universität Dresden (TUD), die zum Projektkonsortium gehört, zusammen mit OHB System AG als Hauptauftragnehmer und dem Life-Science-Spezialisten Blue Horizon erstellt.

„Mit Hilfe von menschlichem Blutplasma, das für die Besatzungsmitglieder der Mission leicht zugänglich wäre und als nährstoffreiche „Bio-Tinte“ dient, können im 3D-Biodrucker menschliche Zellen gedruckt werden“, sagt Nieves Cubo von der TUD. „Da Plasma eine sehr flüssige Konsistenz hat, ist es schwierig, damit unter veränderten Gravitationsbedingungen zu arbeiten. Wir haben daher eine modifizierte Rezeptur durch Zugabe von Methylcellulose und Alginat entwickelt, um die Viskosität des Substrats zu erhöhen. Astronauten könnten diese Substanzen aus Pflanzen bzw. Algen beziehen – eine umsetzbare Lösung für eine geschlossene Weltraumexpedition.

Bei der Herstellung der Knochenprobe werden menschliche Stammzellen mit einer ähnlichen Bio-Tinten-Zusammensetzung unter Zugabe eines Calciumphosphat-Knochenzements als strukturtragendes Material gedruckt, das anschließend während der Wachstumsphase absorbiert wird.“ Um zu beweisen, dass die Biodrucktechnik auf im Weltraum möglich ist, wurde sowohl die Haut- als auch die Knochenprobe „umgekehrt“ gedruckt. Da ein längerer Aufenthalt in der Schwerelosigkeit nicht möglich war, stellte die Herausforderung eines solchen „minus 1 G“-Tests die nächstbeste Option dar.

Diese Proben stellen die ersten Schritte in einer ambitionierten End-to-End-Strategie dar, um den 3D-Biodruck auch im Weltraum zu realisieren. Das Projekt untersucht, welche Einrichtungen in Bezug auf Ausrüstung, Operationssäle und sterile Umgebungen an Bord erforderlich wären und ob es möglich wäre, komplexere Gewebe für Transplantationen herzustellen – bis hin zum Druck ganzer innerer Organe. „Bei einer Reise zum Mars oder zu anderen interplanetaren Zielen befinden sich die Astronauten mehrere Jahre im Weltraum“, so der Projektverantwortliche Tommaso Ghidini, Leiter der Abteilung für Strukturen, Mechanismen und Materialien bei der ESA.

„Die Crew ist dabei vielen Risiken ausgesetzt und eine frühzeitige Rückkehr nach Hause ist ausgeschlossen. Die Mitnahme von ausreichend medizinischer Versorgung für alle möglichen Eventualitäten ist an Bord eines beengten Raumschiffes mit begrenzter Masse schlichtweg nicht möglich. Ein 3D-Biodrucker würde eine flexible Reaktion auf medizinische Notfälle ermöglichen. Im Falle von Verbrennungen könnte beispielsweise neue Haut gezüchtet und aus den eigenen Zellen des Astronauten gedruckt werden. Sie müsste dann nicht aus anderen Teilen des Körpers transplantiert werden, zumal die Heilung sekundärer Verletzung in der orbitalen Umgebung erschwert ist.

Bei Knochenbrüchen – die durch die Schwerelosigkeit im All und die geringere Gravitation auf dem Mars (0,38 im Vergleich zur Erdgravitation) wahrscheinlicher werden – könnten Ersatzknochen in verletzte Bereiche eingesetzt werden. In allen Fällen würde das durch den 3D-Biodruck entstandene Material vom Astronauten selbst stammen, so dass es keine Probleme mit der Abstoßung des Transplantats geben würde.“

Auf der Erde verzeichnet der 3D-Biodruck laufend Fortschritte. Allerdings ist dieses Projekt das erste, der ihren Einsatz im All untersucht. Tommaso erklärt: „Dieses Vorgehen folgt einem typischen Muster, wenn vielversprechende terrestrische Technologien, von Kameras bis hin zu Mikroprozessoren, erstmals im Weltraum eingesetzt werden. Wir müssen mit weniger Ausrüstung mehr erreichen, damit der Einsatz in der herausfordernden Weltraumumgebung funktionieren kann. Deshalb müssen verschiedene technologische Elemente optimiert und verkleinert werden.

Dabei hoffen wir, dass unsere Arbeit im Zusammenhang mit dem 3D-Biodruck wiederum dazu beitragen wird, schnellere Fortschritte auf der Erde zu erzielen, die breite Verfügbarkeit zu beschleunigen und das Verfahren noch schneller für Menschen einsetzbar zu machen. Das Projekt 3D Printing of Living Tissue for Space Exploration (3D-Druck von lebendem Gewebe für die Weltraumforschung) wird durch das ESA-Programm Discovery and Preparation unterstützt und von OHB System in Deutschland in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung der TU Dresden in Deutschland geleitet.

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Ein Beitrag von Andreas Weise. Quelle: Veranstaltungsbesuch.

Olaf Przybilski ist vielen Raumfahrtbegeisterten noch als engagierter Hochschullehrer mit Hang zu ausgesprochener Praxisnähe und als begnadeter Vortragsredner bekannt. Man erinnert sich an seine Auftritte in Morgenröthe-Rautenkranz, Feucht, Berlin und anderswo.

Przybilski traf sich mit Raumfahrer.net (RN) am Rande des Raumfahrthistorischen Kolloquiums 2018 in der Archenholdsternwarte Berlin-Treptow. Hier gehörte er zu den verantwortlichen Organisatoren der Veranstaltung.

Nachdem er in der ihm bekannten dynamischen Art und Weise einen Vortrag über „40 Jahre ARIANE und der 110. Geburtstag von Karl Heinz Bringer“ gehalten hatte, plauderte er mit RN fast eine Stunde unbeschwert über seinen Abschied von der TU-Dresden, über den Gang durch die Instanzen, über Fehler und menschliche Enttäuschungen.

Die Zukunft sieht er positiv. Der Raumfahrt wird er auf alle Fälle als brillanter Vortragsredner erhalten bleiben. Man darf gespannt sein und sich außerdem hier und da auf einen interessanten, mitreißenden Vortrag freuen.

Mit Olaf Przybilski sprachen Thomas Weyrauch und Andreas Weise für RN am 24. November 2018 in Berlin.

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