Quelle: Technische Universität Wien 1. Juli 2024.

1. Juli 2024 – Kann sich ein Teilchen an zwei unterschiedlichen Orten gleichzeitig aufhalten? In der Quantenphysik ist das kein Problem: Sie erlaubt, dass sich Objekte in verschiedenen Zuständen gleichzeitig befinden – oder präziser gesagt: In einem Überlagerungszustand, der sich aus unterschiedlichen beobachtbaren Zuständen zusammensetzt. Aber ist das wirklich der Fall? Vielleicht befindet sich das Teilchen in Wirklichkeit sehr wohl in einem ganz bestimmten Zustand, an einem ganz bestimmten Ort, nur kennen wir ihn nicht?

Seit Jahrzehnten wird über die Frage diskutiert, ob man das Verhalten von Quantenobjekten nicht vielleicht doch durch eine für uns anschaulichere Theorie beschreiben kann. 1985 wurde eine Möglichkeit vorgeschlagen, das zu messen – die sogenannte „Leggett-Garg-Ungleichung“. Jede Theorie, die ohne die merkwürdigen Überlagerungs-Zustände der Quantentheorie auskommt, muss dieser Ungleichung gehorchen. Die Quantentheorie hingegen verstößt gegen sie. An der TU Wien wurden dazu nun erstmals Messungen mit Neutronen durchgeführt – mit einem eindeutigen Ergebnis: Die Leggett-Garg-Ungleichung wird verletzt, klassische Erklärungen dafür sind nicht möglich, die Quantentheorie gewinnt. Die Ergebnisse wurden nun im Fachjournal „Physical Review Letters“ publiziert.

Physikalischer Realismus
Wir gehen normalerweise davon aus, dass jedes Objekt bestimmte Eigenschaften hat: Ein Ball befindet sich an einem bestimmten Ort, er hat eine bestimmte Geschwindigkeit, vielleicht auch eine bestimmte Drehung. Ob wir den Ball beobachten oder nicht, ist egal. Er hat diese Eigenschaften ganz objektiv und unabhängig von uns. „Diese Sichtweise wird als ‚Realismus‘ bezeichnet“, sagt Stephan Sponar vom Atominstitut der TU Wien.

Insbesondere große, makroskopische Objekte müssen dieser Regel gehorchen, das wissen wir aus unserer Alltagserfahrung. Außerdem wissen wir: Makroskopische Objekte kann man beobachten, ohne sie nennenswert zu beeinflussen. Die Messung ändert den Zustand nicht. Diese Annahmen bezeichnet man zusammen als „makroskopischen Realismus“.

Die Quantentheorie, wie man sie heute kennt, ist aber eine Theorie, die diesen makroskopischen Realismus verletzt. Wenn für ein Quantenteilchen unterschiedliche Zustände erlaubt sind, zum Beispiel unterschiedliche Positionen, Geschwindigkeiten oder Energiewerte, dann ist auch eine beliebige Kombination dieser Zustände erlaubt. Zumindest, solange man diesen Zustand nicht misst. Bei einer Messung geht dieser Überlagerungszustand nämlich kaputt: Die Messung zwingt das Teilchen, sich für einen ganz bestimmten Wert zu entscheiden.

Die Leggett-Garg-Ungleichung
Trotzdem muss die Quantenwelt mit der makroskopischen Welt logisch zusammenhängen – schließlich bestehen große Dinge ja aus kleinen Quantenteilchen. Prinzipiell sollten die Regeln der Quantentheorie für alles gelten.

Die Frage ist nun also: Kann man bei „großen“ Objekten ein Verhalten finden, das sich mit unserem intuitiven Bild des makroskopischen Realismus nicht vereinbaren lässt? Können auch makroskopische Dinge klare Anzeichen von Quanteneigenschaften aufweisen?

1985 veröffentlichten die Physiker Anthony James Leggett und Anupam Garg eine Formel, mit der sich der makroskopische Realismus testen lässt: Die Leggett-Garg-Ungleichung. „Der Gedanke dahinter ist ähnlich wie bei der berühmteren Bell’schen Ungleichung, für deren Überprüfung 2022 der Physik-Nobelpreis vergeben wurde“, sagt Elisabeth Kreuzgruber, Erstautorin des Papers. „Allerdings geht es bei der Bell’schen Ungleichung um die Frage, wie stark das Verhalten eines Teilchens mit einem anderen, quantenverschränkten Teilchen zusammenhängt. Bei der Leggett-Garg-Ungleichung geht es nur um ein einziges Objekt, und um die Frage, wie sein Zustand zu bestimmten Zeitpunkten mit seinem Zustand zu anderen Zeitpunkten zusammenhängt.“

Stärkere Korrelationen als die klassische Physik erlaubt
Leggett und Garg gingen von einem Objekt aus, das zu drei verschiedenen Zeitpunkten gemessen werden kann, jede Messung kann zwei verschiedene Ergebnisse haben. Auch wenn man überhaupt nichts darüber weiß, ob oder wie sich der Zustand dieses Objekts im Lauf der Zeit ändert, kann man trotzdem statistisch untersuchen, wie stark die Ergebnisse zu unterschiedlichen Zeitpunkten miteinander zusammenhängen.

Man kann mathematisch zeigen, dass die Stärke dieser Zusammenhänge ein gewisses Maß niemals übersteigen kann – wenn man voraussetzt, dass der makroskopische Realismus korrekt ist. Leggett und Garg konnten eine Ungleichung aufstellen, die von jeder makroskopisch realistischen Theorie immer erfüllt sein muss, ganz egal um welche Theorie es sich im Detail handelt.

Wenn sich das Objekt allerdings an die Regeln der Quantentheorie hält, dann müssen sich deutlich stärkere statistische Zusammenhänge zwischen den Messergebnissen zu den drei verschiedenen Zeitpunkten ergeben. Wenn ein Objekt sich zwischen den Mess-Zeitpunkten tatsächlich in verschiedenen Zuständen gleichzeitig befindet, muss sich das – nach Leggett und Garg – in stärkeren Korrelationen zwischen den drei Messzeitpunkten zeigen.

Neutronenstrahlen: Zentimetergroße Quantenobjekte
„Allerdings ist es gar nicht so einfach, diese Frage experimentell zu untersuchen“, sagt Richard Wagner. „Wenn wir den makroskopischen Realismus testen wollen, dann brauchen wir ein Objekt, das in gewissem Sinn makroskopisch ist, das also eine Größe hat, die mit der Größe unserer gewohnten Alltagsgegenstände vergleichbar ist.“ Gleichzeitig muss es sich aber um ein Objekt handeln, bei dem man eine Chance hat, Quanten-Eigenschaften zu erkennen.

„Neutronenstrahlen, wie wir sie in einem sogenannten Neutroneninterferometer vorfinden, sind dafür perfekt“, sagt Hartmut Lemmel, Strahlplatzverantwortlicher am Instrument S18 des Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, wo das Experiment durchgeführt wurde. Im Neutroneninterferometer, einem Silizium-Perfektkristall-Interferometer, das in den frühen 1970er Jahren am Atominstitut der TU Wien erstmals erfolgreich zum Einsatz kam, wird der einfallende Neutronenstrahl an der ersten Kristallplatte in zwei Teilstrahlen aufgespalten und danach von einem weiteren Silizium-Stück wieder zusammengeführt. Es gibt somit zwei verschiedene Wege, auf denen Neutronen von der Quelle zum Detektor gelangen können.

„Die Quantentheorie sagt: Jedes einzelne Neutron nimmt beide Wege gleichzeitig“, sagt Niels Geerits. „Die beiden Teilstrahlen sind aber mehrere Zentimeter voneinander entfernt. In gewissem Sinn hat man es hier also mit einem Quantenobjekt zu tun, das eine für Quanten-Verhältnisse gewaltige Größe hat.“

Durch eine ausgeklügelte Kombination mehrerer Neutronenmessungen konnte das Team der TU Wien die Leggett-Garg-Ungleichung testen – und das Ergebnis war eindeutig: Die Ungleichung wird verletzt. Die Neutronen benehmen sich also auf eine Weise, die mit keiner erdenklichen makroskopisch realistischen Theorie erklärt werden kann. Sie befinden sich tatsächlich auf beiden Strahlen gleichzeitig, an unterschiedlichen Stellen, die Zentimeter auseinanderliegen. Die Idee „vielleicht bewegt sich das Neutron doch nur auf einer der beiden Bahnen, wir wissen bloß nicht welche“ ist damit widerlegt.

„Unser Experiment zeigt: Die Natur ist tatsächlich so seltsam, wie die Quantentheorie behauptet“, sagt Stephan Sponar. „Egal welche klassische, makroskopisch realistische Theorie man sich zurechtlegt: Sie wird die Wirklichkeit niemals erklären können. Ohne Quantenphysik geht es nicht.“

Originalpublikation
E. Kreuzgruber et al., Violation of a Leggett-Garg Inequality Using Ideal Negative Measurements in Neutron Interferometry, Phys. Rev. Lett. 132, 260201 (2024).
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.260201

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Max-Planck-Institut für Physik (MPP) 18. April 2024.

18. April 2024 – Die Natur der Dunklen Materie zählt bis heute zu den großen Fragen der modernen Physik. Nach heutigem Wissen macht die unsichtbare Dunkle Materie 85 Prozent der Gesamtmasse im Universum aus. Im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor (INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso) geht heute das Experiment COSINUS* in Betrieb. Das Forschungsprojekt soll überprüfen, ob ein anderes Experiment (DAMA/LIBRA) tatsächlich Signale Dunkler Materie gemessen hat – oder nicht. COSINUS ist eine Kooperation der TU Wien, des Instituts für Hochenergiephysik der ÖAW, des Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Italien), des Helsinki Institute of Physics (Finnland) und des MPP.

Für das COSINUS-Projekt wurde ein spezielles Instrument entwickelt. Dabei wird ein Kristall auf extrem tiefe Temperaturen gekühlt, um die Energie von Teilchen mit hoher Präzision messen zu können. Falls die Dunkle Materie aus bisher unbekannten Teilchen besteht, müsste die Erde auf ihrem Weg durch das All mit diesen Teilchen zusammenstoßen. Diese Kollisionen könnten sich im Messgerät nachweisen lassen.

Das DAMA/LIBRA-Experiment hat Daten gesammelt, die mit dieser Annahme im Einklang stehen, allerdings umstritten sind, da die Bestätigung durch ein anderes Experiment bis heute ausgeblieben ist.

Pflügt sich die Erde durch einen Nebel aus Dunkler Materie?
Wenn sich Dunkle Materie tatsächlich nachweisen ließe, würden die Messungen über das Jahr hinweg variieren. Warum? Die Sonne und all ihre Planeten – also auch die Erde – bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von rund 220 Kilometern pro Sekunde um das Zentrum der Milchstraße. Die Erde wiederum kreist mit einer Geschwindigkeit von rund 30 Kilometern pro Sekunde um die Sonne, für einen kompletten Umlauf braucht sie ein Jahr. Ein halbes Jahr lang bewegt sich die Erde also in der gleichen Richtung wie die Sonne, die anderen sechs Monate in der Gegenrichtung.

„Wenn unsere Galaxie von Teilchen aus Dunkler Materie durchdrungen ist, würde sich die Erde mal schneller, dann wieder langsamer durch diesen ‚Nebel‘ hindurchbewegen“, erklärt die MPP-Wissenschaftlerin Karoline Schäffner, technische Leiterin von COSINUS. „Die Situation gleicht einer Autofahrt im Regen: Je schneller wir unterwegs sind, umso mehr Regentropfen prasseln auf die Windschutzscheibe. Wir erwarten also, zu verschiedenen Zeiten unterschiedlich viel Dunkle Materie zu detektieren.“

Genau das hat das DAMA/LIBRA Experiment ergeben, das seit 1995 läuft: Man detektierte tatsächlich ein Signal, dessen Intensität sich im Lauf des Jahres regelmäßig veränderte – ein Hinweis auf Dunkle Materie. Doch andere Experimente konnten diese Ergebnisse nicht wiederholen.

Der fehlende Nachweis durch andere Experimente beschäftigt die internationale Forschungsgemeinde seit Jahren. „Mit unserem neuen Projekt gibt es die Chance, dieses Rätsel zu lösen“, sagt Karoline Schäffner. „Wir verwenden in unserem Detektor Natriumiodid, dasselbe Material wie im DAMA/LIBRA-Experiment, um die Ergebnisse vergleichen zu können. Unser Versuchsaufbau wird aber eine deutlich höhere Genauigkeit erzielen.“

Wärme und Licht
Im DAMA/LIBRA Experiment wird nur das Licht, nicht aber die Wärme vermessen. Es gibt bereits zwei weitere Experimente, mit denen Wissenschaftler*innen daran arbeiten, die DAMA/LIBRA-Experimente zu reproduzieren. Wie das Original zeichnen beide nur Licht auf – im Gegensatz zu COSINUS, das auf zwei verschiedene Signale ausgelegt ist.

Das Herzstück von COSINUS ist ein Kryostat – eine Art Kühlschrank für extrem tiefe Temperaturen – in dem ein Kristall aus Natriumiodid auf 1-2 hundertstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (- 273 Grad Celsius) abgekühlt werden kann. Wird dieser Kristall von Dunkle-Materie-Teilchen getroffen, kommt es zu zwei Reaktionen im Detektor: Erstens werden die Atome des Kristalls in Schwingung versetzt – das Kristallgitter beginnt zu wackeln und heizt sich auf. Die dabei aufgenommene Wärmeenergie lässt sich äußerst genau messen. Zweitens entsteht im Kristall auch Licht, das COSINUS ebenfalls „sehen“ kann.

Bekannte oder unbekannte Teilchen?
Die Untersuchung von zwei Signalen liefert zudem Hinweise, um welche Teilchen es sich handelt. „Das ist wichtig, denn nicht jedes Signal, das man in einem solchen Detektor misst, ist ein Hinweis auf Dunkle Materie“, erklärt Karoline Schäffner: „Es kann sich zum Beispiel um gewöhnliche Elektronen handeln, die durch natürliche Radioaktivität entstehen. Oder auch um Neutronen, die von kosmischen Teilchen produziert werden.“

Um Dunkle Materie-Signale zu entdecken, müssen die Forschenden den Kristall möglichst effektiv vor jeglichem Hintergrundrauschen abschirmen. Daher steht das Experiment gut geschützt in einem Bergmassiv, im größten Untergrundlabor der Welt: in den INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso (INFN-LNGS, Italien), rund hundert Kilometer von Rom entfernt. Unter 1.400 Metern Gestein bietet ein Tunnelsystem Platz für eine Vielzahl hochempfindlicher Versuche – auch das DAMA/LIBRA-Experiment ist dort aufgebaut. Außerdem werden die Detektoren in einem sieben Meter hohen Tank mit hochreinem Wasser platziert.

Das COSINUS-Projekt wird 18. April 2024 im INFN-LNGS eröffnet. Erste Ergebnisse der Messungen sind 2025/26 zu erwarten.

*Cryogenic Observatory for SIgnatures seen in Next-generation Underground Searches

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• Dunkle Materie

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Quelle: Technische Universität Wien 5. März 2024.

5. März 2024 – Der Klimawandel verändert den Wasserkreislauf – aber wie? Leider lässt sich das nicht in eine einfache, global gültige Formel pressen. Der Wasserkreislauf ist ein komplexes System, regional können sich ganz unterschiedliche Veränderungen zeigen: In manchen Regionen wird es trockener, in anderen steigt die Regenmenge, Extremwetterereignisse ändern und verschieben sich.

Um dieses komplexe System besser vorhersagbar zu machen, entwickelte ein internationales Pilotprojekt, finanziert von der Europäischen Weltraumbehörde ESA und geleitet vom italienischen National Research Council, nun einen „digitalen Zwilling“ der Hydrosphäre: Der Wasserkreislauf und die relevanten mit ihm verbundenen Phänomene werden physikalisch korrekt am Computer nachgebildet. So lässt sich simulieren, wie eine ganz bestimmte Region auf hydrologische Veränderungen reagiert. Damit sollen nicht nur Katastrophen wie Überschwemmungen sondern auch schleichende Veränderungen im Wasserhaushalt, die z.B. durch höhere Temperaturen verursacht werden, räumlich detaillierter vorhergesagt werden als bisher.

Entscheidend dafür sind Satellitendaten. Ein Team der TU Wien sorgte dafür, dass speziell Radarsatellitendaten über den Wasserkreislauf nun in hervorragender räumlicher Auflösung zur Verfügung stehen – ein wesentliches Schlüsselelement für die Zuverlässigkeit des Vorhersagesystems.

Ein „digitaler Zwilling“ der Erde
Das Konzept des „digitalen Zwillings“ spielt in der Industrie schon lange eine wichtige Rolle: Ein kompliziertes System, zum Beispiel eine Produktionsanlage, wird physikalisch exakt am Computer nachgebildet. Man kann diesem System dann am Computer beliebige Bedingungen vorgeben, und es wird sich genauso verhalten wie auch in der Wirklichkeit. Ähnlich wie beim Flugsimulator, in dem man neuartige Flugmanöver am Computer ausprobieren kann, lässt sich so gefahrlos vorhersagen, was in einer speziellen Situation geschehen wird.

„Genau so ein digitaler Zwilling entsteht nun für das globale Wassersystem“, erklärt Dr. Mariette Vreugdenhil vom Department für Geodäsie und Geoinformation der TU Wien, die den Anteil der TU Wien an dem ESA Projekt geleitet hat. Wenn für große Gebiete, im Idealfall den ganzen Globus, räumlich hochaufgelöste Daten für die Validierung und laufende Verbesserung von Computersimulationen zur Verfügung stehen, dann lässt sich mit höherer Treffsicherheit sagen, welche Effekte sich unter bestimmten Bedingungen zeigen werden – bis hin zu Überflutungen oder Hangrutschungen an einem ganz bestimmten Ort.

Auf die Auflösung kommt es an
Von besonders großer Bedeutung sind dabei Daten über die Bodenfeuchte. Daran forscht man an der TU Wien schon seit Jahren: Man nutzt Messergebnisse von Radarsatelliten, die den Erdboden rund um die Uhr untersuchen. Daraus kann man wichtige Informationen über die Eigenschaften des Bodens herausrechnen und letztlich vorhersagen, ob der Boden in einer bestimmten Gegend angesichts kommender Regenfälle noch weiteres Wasser aufnehmen kann oder nicht.

Entscheidend dafür ist allerdings, dass man die räumlichen Gegebenheiten mit sehr hoher Auflösung kennt. „Hohe Auflösung heißt bei uns etwa: Ein Pixel pro Kilometer“, sagt Prof. Wolfgang Wagner, der Leiter des Forschungsbereichs Fernerkundung der TU Wien. „Man verwendet dafür heute oft künstliche Intelligenz. Die trainiert man mit unterschiedlichen Datensätzen und hofft dann, auf diese Weise die Auflösung zu verbessern. Das ergibt zwar schöne Bilder, aber ob die etwas mit der Wirklichkeit zu tun haben, ist oft eine andere Frage.“ Um die Interpretation der Satellitendaten auf ihre Richtigkeit hin besser überprüfen zu können, hat man sich an der TU Wien für eine andere Strategie entschieden: „Wir verfolgen einen rigorosen Ansatz. Unser Modell arbeitet mit physikalischen Formeln, von denen wir wissen, dass sie stimmen.“ Machine Learning kommt unterstützend zum Einsatz, etwa für die Kalibrierung der Parameter, aber die Berechnung der Daten lässt sich klar nachvollziehen und erklären. So kann man sicherstellen, dass die Berechnung eines hochauflösenden Datensatzes auf bekannten Naturgesetzen beruht und es nicht etwa zu einer AI-Halluzination ohne faktische Basis kommt, wie das bei künstlicher Intelligenz auch manchmal zu beobachten ist.

Von der Po-Region in die ganze Welt
Begonnen hat man damit, die Po-Ebene in Italien abzubilden – eine besonders komplexe Region, wie Projektleiter Luca Brocca erklärt: „Wir haben die Alpen, wir haben Schnee, der schwer zu simulieren ist, besonders in unregelmäßigem und komplexem Gelände wie den Bergen. Dann gibt es das Tal mit all den menschlichen Aktivitäten – Industrie, Bewässerung.“ Aufbauend darauf bildete man den gesamten Mittelmeerraum ab.

Das Modell soll letztendlich auf den ganzen Erdball ausgedehnt werden. Außerdem soll es noch weiter verbessert und verfeinert werden. Wünschenswert wäre am Ende eine multidimensionale Abbildung der Hydrosphäre, in der ausgewählte Prozesse mit einer räumlichen Auflösung in der Größenordnung von zehn Metern erfasst werden können. Das Ziel des Projekts ist ein Computermodell, das rechtzeitig auf Gefahren hinweisen kann und auch dazu dient, die Auswirkungen verschiedener menschlicher Eingriffe auf lokaler Ebene zu erklären, sodass man nachhaltige Entscheidungen treffen kann.

„Diese gemeinsamen Bemühungen von Wissenschaft, Raumfahrtbehörden und Entscheidungsträgern versprechen eine Zukunft, in der ein digitaler Zwilling der Erde für die Hydrologie unschätzbare Erkenntnisse für ein nachhaltiges Wassermanagement und die Widerstandsfähigkeit gegen Katastrophen liefern“, sagt Luca Brocca.

Originalpublikation
L. Brocca et al., A Digital Twin of the terresrial water cycle: a glimpse into the future through high-resolution Earth observations; Front Sci. 5. March 2024.
https://www.frontiersin.org/journals/science/articles/10.3389/fsci.2023.1190191/full
pdf: https://www.frontiersin.org/journals/science/articles/10.3389/fsci.2023.1190191/pdf

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• Klimawandel

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Quelle: Technische Universität Wien 8. Januar 2024.

8. Januar 2024 – Feldspat ist ein ganz gewöhnliches, unscheinbares Mineral, das ungefähr die Hälfte der Erdkruste ausmacht – doch in unserer Atmosphäre spielt Feldspat eine überraschend wichtige Rolle. Feines Feldspat-Mehl, das durch die Luft geweht wird, hat nämlich einen entscheidenden Einfluss auf die Bildung von Eiswolken. An Partikeln aus Feldspat können sich Wassermoleküle viel besser anlagern als an anderen Partikeln. So werden winzige Feldspat-Teilchen zu hervorragenden Nukleationskeimen, an denen Wassermoleküle klebenbleiben und gefrieren, sodass schließlich eine Wolke am Himmel entsteht.

Warum gerade Feldspat diese bemerkenswerte Fähigkeit hat, Wasser so effektiv an sich zu binden und dadurch Wolkenbildung zu ermöglichen, war bisher nicht klar. Mit einem hochsensitiven Rasterkraftmikroskop konnte man an der TU Wien nun zeigen: Die ganz spezielle Geometrie der Feldspat-Oberfläche bietet den perfekten Ankerpunkt für OH-Gruppen aus Wasserstoff und Sauerstoff – und dann in weiterer Folge für Wasser.

Bilder mit atomarer Auflösung
„Es gab mehrere Ideen, warum Feldspat ein derart effektiver Nuklationskeim ist“, sagt Prof. Ulrike Diebold vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien, die das Projekt leitete. „Es könnte an Kalium-Atomen liegen, die im Feldspat enthalten sind, oder etwa auch an bestimmten Defekten seiner Struktur.“

Um diese Frage zu untersuchen, setzte man ein Rasterkraftmikroskop ein. Punkt für Punkt wird dort die Oberfläche des Kristalls mit einer feinen Spitze abgetastet. Aus der Kraft, die zwischen Spitze und Kristallprobe auftritt, kann man schließen, welche Atome sich an dieser Stelle befinden. So erhält man ein Bild mit atomarer Auflösung.

„Wir brachten also ein Stück Feldspat in die Vakuumkammer des Mikroskops ein und spalteten es in zwei Hälften, um eine unversehrte, saubere Feldspat-Oberfläche zu bekommen“, sagt Giada Franceschi, die Erstautorin der aktuellen Arbeit. „Dabei erlebten wir eine Überraschung: Die Bilder der Oberfläche sahen völlig anders aus, als gängige Theorien das vorhergesagt hatten.“

Eine Hydroxylschicht als optimale Verbindung
Die Ursache dafür war schnell gefunden: Wie sich zeigte, lag es an winzigen Wassereinschlüssen im Gestein. Wenn man den Stein auseinanderbricht, wird ein wenig Wasserdampf frei. Dieser lagert sich an der frisch gespaltenen Oberfläche an. Die Wassermoleküle brechen dabei auseinander und machen OH Gruppen. „Man sieht unter dem Mikroskop also gar nicht die Feldspat-Oberfläche selbst, sondern eine von Hydroxylgruppen bedeckte Oberfläche“, erklärt Giada Franceschi. „Auch in der Natur wird die Feldspat-Oberfläche mit einer solchen Hydroxylschicht bedeckt.“

Aufgrund der Geometrie des Feldspat-Kristalls sind diese Hydroxylgruppen so positioniert, dass sie sich perfekt als Ankerpunkte für Wassermoleküle eignen. So wie Klemmbausteine, die ineinander klicken, können Wassermoleküle an den Hydroxylgruppen andocken. Die Hydroxylschicht bildet somit die perfekte Verbindung zwischen Feldspat und dem Wasser, das sich als Eis anlagert. „Die Bindung wird sehr leicht und sehr schnell hergestellt, und sie ist auch sehr stabil“, sagt Ulrike Diebold. „Um die Hydroxylschicht vom Feldspat wieder zu entfernen, müsste man ihn sehr hoch erhitzen.“ Auch Computersimulationen unterstützten diesen Befund.

Die Ergebnisse liefern Aufschluss darüber, warum Kristalle sich in unserer Atmosphäre besonders gut als wolkenbildende Nukleationskeime eignen – auch angesichts des Klimawandels ist es wichtig, die Physik der Wolkenbildung noch besser zu verstehen. Und manchmal – so zeigt das Forschungsprojekt an der TU Wien – muss man dafür tief in die Welt der Atome blicken.

Originalpublikation
G. Franceschi et al., How Water Binds to Microcline Feldspar (001), J. Phys. Chem. Lett. 2024, 15, 15–22.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.3c03235
pdf: https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.jpclett.3c03235?download=true

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• Planet Erde

Der Beitrag TU Wien: Der Stein, der Wolken macht erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Technische Universität Wien 17. Mai 2023.

17. Mai 2023 – Die Relativitätstheorie funktioniert großartig, wenn man Phänomene auf kosmischer Skala erklären möchte – etwa die Gravitationswellen, die bei der Kollision von schwarzen Löchern entstehen. Die Quantentheorie funktioniert großartig, wenn man Phänomene auf Teilchenskala erklären möchte – etwa das Verhalten einzelner Elektronen im Atom. Beides miteinander auf völlig zufriedenstellende Weise zu verbinden, ist aber noch nicht gelungen. Die Suche nach einer „Quantentheorie der Gravitation“ gilt als eine der großen ungelösten Aufgaben der Wissenschaft.

Das liegt unter anderem daran, dass die Mathematik auf diesem Gebiet extrem kompliziert ist, und dass es gleichzeitig extrem schwierig ist, passende Experimente durchzuführen: Man müsste Situationen schaffen, in denen sowohl Phänomene der Relativitätstheorie eine wichtige Rolle spielen, etwa eine durch schwere Massen gekrümmte Raumzeit, und gleichzeitig Quanteneffekte sichtbar werden, zum Beispiel die kombinierte Teilchen- und Wellennatur von Licht.

An der TU Wien entwickelte man dafür nun einen neuen Zugang: Mit einem sogenannten „Quantensimulator“ geht man solchen Fragen auf den Grund: Man untersucht nicht das System, über das man eigentlich etwas lernen möchte (nämlich Quantenteilchen in einer gekrümmten Raumzeit), sondern erzeugt stattdessen ein „Modellsystem“, eine einfacher zu handhabende Simulation, aus der man dann durch Analogieschlüsse etwas über das eigentlich interessante System lernen kann. Dass dieser Quantensimulator ausgezeichnet funktioniert, konnte das Team nun zeigen. Die Ergebnisse der internationalen Kooperation mit der Universität Kreta, der Nanyang Technological University und der FU Berlin wurden nun im Fachjournal PNAS publiziert.

Von einem System etwas über ein anderes lernen
Die Grundidee hinter dem Quantensimulator ist einfach: Viele Systeme in der Quantenphysik ähneln einander. Auch wenn es sich um völlig unterschiedliche Teilchensorten handelt, oder um physikalische Systeme, die auf den ersten Blick wenig miteinander zu tun haben, kann es sein, dass die Systeme auf tieferer Ebene denselben Gesetzen und Gleichungen gehorchen. Das bedeutet, dass man über ein bestimmtes System etwas lernen kann, indem man ein anderes System untersucht.

„Wir nehmen also ein Quantensystem, von dem wir wissen, dass wir es im Experiment sehr gut kontrollieren und anpassen können“, sagt Prof. Jörg Schmiedmayer vom Atominstitut der TU Wien. „In unserem Fall sind das ultrakalte Atomwolken, die von einem Atomchip mit elektromagnetischen Feldern festgehalten und manipuliert werden.“ Wenn man diese Atomwolken auf geeignete Weise anpasst, sodass sich ihre Eigenschaften in ein anderes Quantensystem übersetzen lassen, kann man aus der Vermessung des Atomwolken-Modellsystem etwas über das andere System lernen – ähnlich wie man etwa aus der Schwingung einer Masse, die an einer Metallfeder befestigt ist, etwas über die Schwingung eines Pendels an einer Schnur lernen kann: Es sind zwei verschiedene physikalische Systeme, aber das eine lässt sich in das andere übersetzen.

Der Gravitationslinsen-Effekt
„Wir konnten nun zeigen, dass sich auf diese Weise ganz eindeutig Effekte hervorrufen lassen, mit denen man die Krümmung der Raumzeit nachstellen kann“, sagt Mohammadamin Tajik vom Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) – Atominstitut der TU Wien, Erstautor des aktuellen Papers. Im Vakuum des Weltraums breitet sich Licht auf einem sogenannten „Lichtkegel“ aus: Die Lichtgeschwindigkeit ist konstant, in gleichen Zeiten bewegt sich das Licht in jede Richtung gleich weit. Wenn das Licht allerdings durch schwere Massen beeinflusst wird, etwa durch die Gravitation der Sonne, dann werden diese Lichtkegel verbogen. Die Pfade, die das Licht zurücklegt, sind in einer gekrümmten Raumzeit nicht mehr perfekt gerade. Man spricht dann von einem „Gravitationslinsen-Effekt“.

Dasselbe kann man nun auch in den Atomwolken zeigen. An Stelle der Lichtgeschwindigkeit untersucht man dort die Schallgeschwindigkeit. „Nun haben wir also ein System, in dem es einen Effekt gibt, der einer Raumzeitkrümmung beziehungsweise einer Gravitationslinse entspricht, gleichzeitig handelt es sich aber um ein Quantensystem, das man mit Quantenfeldtheorien beschreiben kann“, sagt Mohammadamin Tajik. „Auf die Weise haben wir also ein völlig neues Werkzeug, um den Zusammenhang zwischen Relativitätstheorie und Quantentheorie zu untersuchen.“

Ein Modellsystem für Quanten Phänomene in gekrümmter Raum-Zeit
Die Experimente zeigen, dass die Form der Lichtkegel, Linseneffekte, Reflexionen und andere Phänomene in diesen Atomwolken genau auf dieselbe Weise demonstriert werden können, wie man das in relativistischen kosmischen Systemen erwarten würde. Das ist nicht nur interessant, um neue Daten für theoretische Grundlagenforschung zu generieren – auch in der Festkörperphysik und bei der Suche nach neuen Materialien stößt man auf Fragen, die eine ähnliche Struktur haben und daher von solchen Experimenten beantwortet werden können.

„Wir wollen diese Atomwolken nun noch besser steuern, damit wir noch weitreichendere Daten ermitteln können. So lassen sich etwa Wechselwirkungen zwischen den Teilchen noch ganz gezielt verändern“, erklärt Jörg Schmiedmayer. Auf diese Weise kann der Quantensimulator physikalische Situationen nachstellen, die so kompliziert sind, dass man sie auch mit Supercomputern nicht berechnen kann.

Der Quantensimulator wird so zu einer neuen, zusätzlichen Informationsquelle für die Quantenforschung – zusätzlich zu theoretischen Berechnungen, Computersimulationen und direkten Experimenten. Das Forschungsteam hofft, bei der Untersuchung der Atomwolken auf neue, bisher vielleicht noch völlig unbekannte Phänomene zu stoßen, die auf kosmischer, relativistischer Skala ebenso stattfinden – aber ohne einen Blick auf winzige Teilchen vielleicht nie entdeckt worden wären.

Originalpublikation
M.Tajik et al., Experimental observation of curved light-cones in a quantum field simulator, PNAS 120 (21), 2023., https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2301287120,
https://arxiv.org/abs/2209.09132,
pdf: https://arxiv.org/pdf/2209.09132.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Technisches Museum Wien 23. März 2023.

23. März 2023 – Um ein Leben im Weltraum zu ermöglichen, müssen Dinge, die auf der Erde oft selbstverständlich sind – Luft, Wasser, Nahrung, Müllentsorgung oder Bewegung –, bis ins Detail geplant werden. Auch die fehlende Schwerkraft, der begrenzte Raum und das psychologische Wohlbefinden der Astronaut*nnen prägen die Überlegungen beim Raumdesign.

Diesen visionären Herausforderungen widmen sich Studierende am Institut für Architektur und Entwerfen und im EMBA-Programm „Space Architecture“ unter der Leitung von Sandra Häuplik-Meusburger an der Technischen Universität Wien. Die neue Präsentation im Science Corner des Technischen Museums Wien gibt Einblicke in die Forschungstätigkeiten der TU Wien im Bereich Weltraumarchitektur. Zentrale Fragen dabei sind: Wie gestaltet sich der Alltag von Astronaut*nnen im Weltraum? Welchen physischen und psychischen Belastungen sind Menschen im Weltraum ausgesetzt? Wie können wir diese Erkenntnisse für Herausforderungen auf der Erde nutzen? Und welche Chancen und Perspektiven ergeben sich durch neue Beschäftigungsfelder und technologische Entwicklungen?

Zukunftsträchtiges Forschungsfeld mit Anwendungen im All und auf der Erde
Dazu vereint das junge Forschungs- und Arbeitsfeld unterschiedlichste wissenschaftliche und technische Disziplinen wie Luft- und Raumfahrttechnik, Architektur, Medizin, Soziologie, Psychologie, Weltraumwissenschaften und Kunst. Die Lösungen, die für derartige außergewöhnliche Umstände entwickelt werden, finden aber auch auf der Erde Anwendung, etwa bei Bauten in extremen Umgebungen oder für ressourcenschonendes und klimagerechtes Bauen.

Science Corner zeigt visionäre Forschung der Technischen Universität Wien
Im Science Corner können Besucher*nnen außerdem beeindruckende Entwürfe von Weltraum-Habitaten bewundern und erhalten exklusive Einblicke in die Anwendungsgebiete und Berufsbilder dieses zukunftsträchtigen Betätigungsfelds. Neben den Nachwuchsforschenden von heute wird auch ein Alumnus der TU Wien vorgestellt, der seiner Zeit voraus war: Herman Potocnik entwickelte bereits 1929 visionäre Entwürfe für die Raumfahrt, wie etwa modulare Raumstationen oder Satelliten, die er unter dem Pseudonym Hermann Noordung in seinem Buch „Das Problem der Befahrung des Weltraums“ veröffentlichte.

Wechselnde Präsentationen zeigen Vielfalt an Forschungsinitiativen
Der am 1. März 2022 eröffnete Science Corner im Technischen Museum Wien bietet in einer jährlich wechselnden Präsentation aktuellen Forschungsprojekten der Technischen Universität Wien eine Bühne. Den Auftakt machte das Thema Industrie 4.0, bei dem gezeigt wurde, welche Optimierungsansätze zur intelligenten Vernetzung von Maschinen und Abläufen eine ressourcenschonende Kreislaufwirtschaft ermöglichen. Im Anschluss wurde mit dem interdisziplinären Forschungsprojekt „Caring Robots“ das brisante Thema Pflegeroboter beleuchtet.

Ziel des Science Corners und der Kooperation mit der TU Wien ist es, Besucher*nnen die unterschiedlichen Facetten der dynamischen österreichischen Forschungslandschaft näherzubringen. Im Sinne des Museumsleitbildes, das Innovation und Nachhaltigkeit in den Mittelpunkt stellt, werden im Science Corner Forschungsprojekte vorgestellt, die mithilfe von zukunftsweisenden Technologien gesellschaftlich relevante Fragestellungen aufgreifen. „Mit dem Science Corner präsentieren wir Forschung und Technik am Puls der Zeit und zeigen, wie den großen Herausforderungen unserer Zeit mit visionären Ideen und innovativen Lösungsansätzen begegnet werden kann. Damit wollen wir vor allem auch junge Menschen für eine Karriere in der Forschung begeistern, denn im zukunftsweisenden MINT-Bereich können sich kreative und findige Köpfe gesellschaftlich wirksam einbringen“, erklärt Generaldirektor Peter Aufreiter.

Da hinter technischen Entwicklungen und fortschrittlicher Forschung immer auch Menschen stehen, holt der Science Corner auch die Forschenden vor den Vorhang. In Videoinstallationen und der stetig wachsenden Forscher*nnen-Galerie können Besucher*nnen umfassende Eindrücke von deren Forschungsalltag erlangen und die faszinierende Vielfalt wissenschaftlicher Karrieren in der Forschung erleben. „Ich freue mich sehr, dass wir mit dieser Kooperation eine zusätzliche Möglichkeit haben, Einblicke in die TU Wien zu ermöglichen und Technikforschung besser greifbar zu machen. Technik gehört nicht nur zu unserem Alltag, wir gestalten mit ihr unsere Zukunft mit und sie bietet eine Vielzahl verschiedenster Karriereoptionen“, lädt Sabine Seidler, Rektorin der TU Wien, zum Besuch ein.

Die aktuelle Präsentation „Zimmer mit Aussicht. Leben im Weltraum“ ist bis Februar 2024 im Science Corner des Technischen Museums Wien zu sehen.

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• Technisches Museum Wien

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Quelle: TU Wien 6. Juli 2022.

6. Juli 2022 – Seit Jahren gelingen dem TU Wien Space Team immer wieder spektakuläre Erfolge: Man beförderte Raketen in eine Höhe von mehreren Kilometern, man entwickelte Mini-Satelliten, die ins All transportiert wurden, immer wieder trat man auch bei internationalen Challenges gegen Teams von anderen Universitäten an. Nun glückte dem Verein, der aus Studierenden verschiedener Fachrichtungen der TU Wien besteht, der nächste Meilenstein: Man entwickelte einen Raketenprüfstand, mit dem man leistungsfähige Flüssigtriebwerke testen kann. Das ist eine wichtige Voraussetzung für die nächste Generation von Raketen, die das Team nun konstruieren möchte.

Fest oder flüssig?
Wenn ein Raketentriebwerk gezündet wird, braucht es mehr Sauerstoff als die Umgebungsluft zur Verfügung stellen kann. Man muss der Flamme also den Sauerstoff direkt zuliefern. Dafür gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten: „Bei kleinen Raketen, besonders im Hobbybereich, verwendet man normalerweise Feststoffmotoren, in denen der Oxidator mit dem Brennstoff vergossen wird“, erklärt Taras Weinl, Vizepräsident des TU Wien Space Teams. „Wenn man den Motor zündet, reagiert beides miteinander. So funktionieren auch gewöhnliche Feuerwerksraketen.“

Die meisten Trägerraketen heutzutage verwenden Flüssigtreibstoffe. Man verwendet getrennte Flüssigkeitstanks – einen für den Brennstoff, den anderen für das Oxidationsmittel. Flüssigtriebwerke geben mehr Flexibilität, ermöglichen dazu oft Schubregelung und Wiederzündbarkeit, sind dafür aber wesentlich komplexer: Man muss die Stoffe im richtigen Verhältnis zusammenfügen und die passende Mischung erzeugen, um eine kontinuierliche, effiziente Verbrennung zu ermöglichen.

Franz, die neue Testanlage
„Die NASA oder SpaceX verwenden immer Flüssigraketen. Für Studierendenteams ist das aber noch ungewöhnlich“, sagt Taras Weinl. „Es gibt weltweit derzeit nur ganz wenige Teams, die sich an das Thema Flüssigrakete heranwagen.“ Das TU Wien Space Team beschloss bereits 2017, sich mit diesem Thema zu beschäftigen. Weil die Technologie deutlich komplizierter ist, muss man die Triebwerke unbedingt am Boden testen, bevor man Raketen in den Himmel schickt. Kleine Triebwerke testet das Team bereits seit einigen Jahren. Mit der neuen Triebwerktestanlage „Franz“, können nun auch Testreihen für große Triebwerke durchgeführt werden.

„Franz“ ist auf Raketentriebwerke mit einem Schub von bis zu 25 Kilonewton ausgelegt. Zum Vergleich: Ein Formel-1-Auto, das innerhalb von 2,5 Sekunden auf 100 km/h beschleunigt, hat einen Schub von etwa 8 Kilonewton. Die gesamte Testanlage wurde so konstruiert, dass sie auf einen Fahrzeuganhänger passt. Aus Sicherheitsgründen werden große Raketentriebwerke nur an entlegenen Orten getestet, wo man garantiert niemanden gefährdet – etwa in Steinbrüchen, die für den Test gesperrt werden.

Das Team ist während des Tests gut 100 Meter vom Teststand entfernt und steuert den Ablauf am Computer. Sauerstoff und Ethanol werden zerstäubt und gezündet. Aus der Brennkammer, die aus einer dicken Kupferschicht besteht, schießt ein weißer Feuerstrahl. Sensoren überwachen den Ablauf aller wesentlichen Prozesse und messen den erzielten Schub.

Erster Triebwerkstest
Im Juni wurde nun erstmals ein Triebwerksversuch durchgeführt, nun wurden die Daten ausgewertet. Getestet wurde ein Triebwerk mit neuartiger Injektortechnologie. „Alles hat super geklappt. Für uns ist das ein wichtiger Durchbruch. Wir haben mit unserem Teststand nun die Möglichkeit, leistungsstarke Flüssigtriebwerke zu testen und damit viel größere Raketen zu konstruieren als bisher.“

Auch wenn Österreich nicht zu den führenden Nationen der Weltraumforschung gehört – das Know-how des TU Wien Space Teams stößt auch hier in der Industrie auf viel Interesse. „Wir arbeiten gern mit verschiedensten Firmen zusammen und freuen uns, dass vom kleinen Start-up bis zum großen Player viele an unseren Leistungen interessiert sind“, sagt Taras Weinl.

Die Stärke des Teams liegt vor allem in seiner Vielseitigkeit: Von mechanischen Berechnungen bis zur Elektronik werden viele kleinere und größere Probleme vom Team selbst gelöst – daher sucht das Team auch immer wieder Space-begeisterte aus allen Studienrichtungen, die ihr Wissen in der Praxis umsetzen wollen, etwas komplett Neues lernen möchten oder einfach nur auf der Suche nach Herausforderungen sind.

Mehr über das TU Wien Space Team: https://spaceteam.at/

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• Raketentechnik

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Quelle: Technische Universität Wien 23. Mai 2022.

23. Mai 2022 – Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie hält noch immer große Rätsel bereit – das liegt nicht zuletzt daran, dass sie mathematisch sehr kompliziert ist. Sogar Einstein selbst brauchte Jahre, um die Mathematik zu verstehen, mit der man gekrümmten Raum und verbogene Zeit beschreiben kann.

Einsteins Herangehensweise war aber nicht die einzige und auch nicht die eleganteste Möglichkeit, die Geometrie der Raumzeit zu beschreiben. Roger Penrose, der für seine Arbeiten über Schwarze Löcher 2020 mit dem Physiknobelpreis ausgezeichnet wurde, schlug einen originellen alternativen Zugang vor: Anstatt einen gekrümmten vierdimensionalen Raum zu verwenden, geht Penrose von zweidimensionalen Vektorräumen aus – allerdings sind dort dafür komplexe Zahlen erlaubt.

Herbert Balasin vom Institut für theoretische Physik der TU Wien und Peter Aichelburg, Gravitationsphysiker an der Universität Wien nahmen diesen Ansatz von Roger Penrose nun genauer unter die Lupe und konnten zeigen: Auch bestimmte Arten von Gravitationswellen lassen sich in diesem Formalismus korrekt darstellen.

Abstände in Raum und Zeit
Wenn wir im Alltag Abstände berechnen, verwenden wir dafür den Satz des Pythagoras: Man summiert die Abstandsquadrate in jeder räumlichen Richtung und bekommt das Quadrat des Gesamtabstands. In der Relativitätstheorie kommt zu den drei Raumdimensionen als vierte Dimension die Zeit hinzu – nun kann man auf ganz ähnliche Weise einen Raumzeit-Abstand zwischen zwei Ereignissen ausrechnen. Allerdings ändert sich dabei ein Vorzeichen: Das Abstandsquadrat ist das Quadrat des zeitlichen Abstands minus dem Quadrat des räumlichen Abstands – nicht mit Pluszeichen dazwischen, wie beim gewöhnlichen Satz des Pythagoras.

„Das bedeutet, dass der Abstand positiv oder negativ werden kann. Man bekommt drei verschiedene Arten von Abständen“, erklärt Herbert Balasin. Wenn der zeitliche Abstand größer ist als der räumliche Abstand, ist der Gesamtabstand größer als null – man spricht von einem „zeitartigen Intervall“. Im umgekehrten Fall hat man es mit einem „raumartigen Intervall“ zu tun. Und das Licht selbst ist genau an der Grenze dazwischen – es legt pro Sekunde immer genau die Distanz von einer Lichtsekunde zurück. Der raumzeitliche Abstand zwischen zwei lichtartig verbundenen Ereignissen – etwa die Entstehung eines Photons in der Sonne und seine Absorption acht Minuten später auf der Erde – beträgt immer genau null.

Kein Abstand ohne Metrik
„Um herauszufinden, in welche dieser drei Kategorien ein bestimmter Vektor in der Raumzeit gehört, muss man normalerweise allerdings die Metrik kennen“, sagt Herbert Balasin. Die Metrik (oder „metrischer Tensor“) ist ein mathematisches Objekt, das in Einsteins Relativitätstheorie eine zentrale Rolle spielt. Sie legt an jedem Punkt die Beziehung zwischen räumlichen und zeitlichen Abständen fest und beschreibt damit die Krümmung der vierdimensionalen Raumzeit, die etwa durch schwere Massen hervorgerufen wird. „Ohne diese Metrik kann man keine Abstände ausrechnen – sie sagt uns erst, was der Abstandsbegriff überhaupt bedeutet“, sagt Herbert Balasin.

Deswegen klang es für Relativitätstheorie-Profis zunächst überraschend, dass Roger Penrose zeigte: Man kann auch völlig ohne Verweis auf eine Metrik Nullvektoren konstruieren – also die Ausbreitung des Lichts durch Raum und Zeit beschreiben. Der Schlüssel dazu war, dass Penrose statt vierdimensionaler Vektoren in Raum und Zeit zweidimensionale Spinoren verwendet – mathematische Objekte, die etwas anderen Regeln gehorchen. Sie lassen sich außerdem nicht bloß in reellen Zahlen aufschreiben, wie die Koordinaten eines Vektors in Raum und Zeit, sondern in komplexen Zahlen. Unserer physikalischen Intuition mag es schwerfallen, statt über vierdimensionale Raumzeiten über zweidimensionale komplexe Räume nachzudenken, aber mathematisch wird die Sache dadurch klarer. „Die Idee von Roger Penrose ist eine bahnbrechende neue Einsicht, die uns auch viel besser als bisher zeigt, wie eng unterschiedliche Theorien miteinander zusammenhängen – etwa die Relativitätstheorie und die Elektrodynamik“, erklärt Herbert Balasin. „Plötzlich kann man unterschiedliche Theorien auf mathematisch ganz ähnliche Weise darstellen.“

Gravitationswellen im Spinor-Raum
Ob es sich dabei allerdings bloß um mathematische Eleganz handelt, oder um ein praktikables Werkzeug, muss sich zeigen, wenn man die Theorie für konkrete Berechnungen einsetzt. Genau das probierten Herbert Balasin und Peter Aichelburg nun aus, und zwar anlässlich des neunzigsten Geburtstags von Roger Penrose. Sie konnten zeigen, dass man mit dem alternativen Zugang von Penrose ganz ohne Metrik bestimmte Sorten von Gravitationswellen beschreiben kann – die sogenannten „ebenfrontigen Gravitationswellen“.

„Das heißt natürlich nicht, dass die Art, wie man die allgemeine Relativitätstheorie bisher betrachtet hat, falsch war“, sagt Herbert Balasin. Aber wenn sich diese neue Darstellung in komplexen zweidimensionalen Räumen bewährt, kann das weitreichende Konsequenzen haben. Die Betrachtungsweise ermöglicht einfachere, klarere Einblicke in die Zusammenhänge zwischen Theorien – vielleicht rückt damit sogar das große Ziel näher, Relativitätstheorie und Quantentheorie endgültig zu vereinen.

Die Forschungsarbeit über Gravitationswellen in Penroses Spinor-Formalismus wurde nun als „Featured Article“ im Fachjournal AVS Quantum Science publiziert. Auch in der Lehre an der TU Wien fließen die neuen Betrachtungsweisen bereits ein – etwa in Balasins Vorlesung „Geometrie und Gravitation II“.

Originalpublikation
P.C. Aichelburg and H. Balasin: Curvature without metric: the Penrose construction for half-flat pp-waves, AVS Quantum Sci. 4, 020801 (2022).

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• Kosmologie

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Quelle: Technische Universität Wien.

25. Januar 2022 – Wenn man solche Prozesse analysieren will, ist man auf Hochleistungscomputer angewiesen – und auf hochkomplexe Computersimulationen, deren Ergebnisse schwierig auszuwerten sind. Daher liegt die Idee nahe, künstliche Intelligenz bzw. machine learning dafür zu verwenden. Gewöhnliche machine-learning-Algorithmen sind für diese Aufgabe allerdings nicht geeignet. Die mathematischen Eigenschaften der Teilchenphysik machen eine ganz besondere Struktur von neuronalen Netzen notwendig. An der TU Wien konnte nun gezeigt werden, wie man neuronale Netze mit Erfolg für diese herausfordernden Aufgaben der Teilchenphysik nutzen kann.

Neuronale Netze
„Ein Quark-Gluon-Plasma möglichst realistisch zu simulieren nimmt extrem viel Rechenzeit in Anspruch“, sagt Dr. Andreas Ipp vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. „Selbst die größten Supercomputer der Welt sind damit rasch überfordert.“ Es wäre daher wünschenswert, wenn man nicht jedes Detail präzise berechnen müsste, sondern mit Hilfe einer künstlichen Intelligenz gewisse Eigenschaften erkennen und vorhersagen könnte.

Man verwendet daher neuronale Netze, wie sie etwa auch für die Bilderkennung verwendet werden: Virtuelle „Zellen“ werden am Computer auf ähnliche Weise vernetzt wie Neuronen im Gehirn – und so entsteht ein Netz, das zum Beispiel erkennen kann, ob auf einem bestimmten Bild eine Katze zu sehen ist oder nicht.

Wenn man diese Technik auf das Quark-Gluon-Plasma anwendet, stößt man allerdings auf ein schwerwiegendes Problem: Die Felder, mit denen man die Teilchen und die Kräfte zwischen ihnen mathematisch beschreibt, können auf unterschiedliche Arten dargestellt werden. „Man spricht hier von Eichsymmetrien“, sagt Ipp. „Das Grundprinzip kennen wir aus dem Alltag: Wenn ich ein Messgerät anders eiche, etwa wenn ich bei meinem Thermometer statt der Celsius-Skala die Kelvin-Skala verwende, dann erhalte ich völlig andere Zahlen, auch wenn ich denselben physikalischen Zustand beschreibe. Bei Quantentheorien ist es ähnlich – nur dass dort die erlaubten Eichungen mathematisch viel komplizierter sind.“ Mathematische Objekte, die auf den ersten Blick völlig unterschiedlich aussehen, können denselben physikalischen Zustand beschreiben.

Eichsymmetrien in die Struktur des Netzes eingebaut
„Wenn man diese Eichsymmetrien nicht berücksichtigt, kann man die Ergebnisse der Computersimulationen nicht sinnvoll interpretieren“, sagt Dr. David I. Müller. „Einem neuronalen Netz beizubringen, diese Eichsymmetrien von sich aus zu erkennen, wäre extrem schwierig. Viel besser ist es, von vornherein die Struktur des neuronalen Netzes so zu gestalten, dass die Eichsymmetrie automatisch berücksichtigt wird – dass also unterschiedliche Darstellungen desselben physikalischen Zustands im neuronalen Netz auch dieselben Signale hervorrufen. Genau das ist uns jetzt gelungen: Wir haben ganz neue Netzwerk-Schichten entwickelt, die von sich aus die Eichinvarianz berücksichtigen.“ In einigen Beispielanwendungen wurde gezeigt, dass diese Netze tatsächlich viel besser lernen können, mit den Simulationsdaten des Quark-Gluon-Plasmas umzugehen.

„Mit solchen neuronalen Netzwerken wird es möglich, Vorhersagen über das System zu treffen – etwa abzuschätzen, wie das Quark-Gluon-Plasma zu einem späteren Zeitpunkt aussehen wird, ohne wirklich jeden einzelnen zeitlichen Zwischenschritt im Detail ausrechnen zu müssen“, sagt Andreas Ipp. „Und gleichzeitig ist sichergestellt, dass nur solche Ergebnisse herauskommen können, die der Eichsymmetrie nicht widersprechen – die also prinzipiell physikalisch sinnvoll sind.“

Bis man etwa Atomkernkollisionen am CERN mit solchen Methoden vollständig simulieren kann, wird noch einige Zeit vergehen, aber die neue Art neuronaler Netze liefert ein völlig neues und vielversprechendes Werkzeug um physikalische Phänomene zu beschreiben, bei denen alle anderen Rechenmethoden sehr rasch völlig überfordert sind.

Originalpublikation:
M. Favoni, A. Ipp, D. I. Müller, and D. Schuh, Lattice Gauge Equivariant Convolutional Neural Networks, Phys. Rev. Lett. 128, 032003 (2022).
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.032003

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• KI und Raumfahrt

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Quelle: Technische Universität Wien.

20. Dezember 2021 – In Science-Fiction-Geschichten über Kontakt mit außerirdischen Zivilisationen gibt es ein Problem: Mit welcher Art von Antrieb soll es möglich sein, die gewaltigen Distanzen zwischen den Sternen zu überbrücken? Mit gewöhnlichen Raketen, wie man sie für die Reise zum Mond oder zum Mars verwendet, wird das nicht möglich sein. Daher gibt es allerlei mehr oder wenige spekulative Ideen dazu – eine davon ist der „Bussardkollektor“ oder „Ramjet-Antrieb“. Dabei sollen Protonen im interstellaren Raum eingefangen und dann für einen Kernfusionsreaktor verwendet werden.

Peter Schattschneider, Physiker und Science-Fiction-Autor, hat dieses Konzept nun gemeinsam mit seinem Kollegen Albert Jackson aus den USA genauer nachgerechnet. Das Ergebnis ist für die Fans interstellaren Reisens leider enttäuschend: So wie sich das Robert Bussard, der Erfinder dieses Antriebs im Jahr 1960 ausgedacht hat, kann es nicht funktionieren. Die Analyse wurde nun im Fachjournal „Acta Astronautica“ publiziert.

Die Wasserstoff-Sammelmaschine
„Die Idee ist es wert, untersucht zu werden“, sagt Prof. Peter Schattschneider. „Im interstellaren Raum gibt es hochverdünntes Gas, hauptsächlich Wasserstoff – ungefähr ein Atom pro Kubikzentimeter. Wenn man den Wasserstoff mit Hilfe gewaltiger Magnetfelder vor dem Bug eines Raumschiffs wie in einem magnetischen Trichter einsammeln würde, dann könnte man damit einen Fusionsreaktor betreiben und das Raumfahrzeug beschleunigen.“ Im Jahr 1960 publizierte Robert Bussard eine wissenschaftliche Arbeit dazu. Neun Jahre später wurde ein solches Magnetfeld erstmals theoretisch beschrieben. „Seither hat die Idee nicht nur Science-Fiction-Fans begeistert, sondern auch in der technisch-wissenschaftlichen Astronautik-Community für großes Interesse gesorgt“, sagt Peter Schattschneider.

Peter Schattschneider und Albert Jackson nahmen die Gleichungen nun nach einem halben Jahrhundert genauer unter die Lupe. Eine Software, die an der TU Wien im Rahmen eines vom FWF geförderten Forschungsprojekts für die Berechnung elektromagnetischer Felder in der Elektronenmikroskopie entwickelt worden war, stellte sich dabei unerwarteterweise als äußerst hilfreich heraus: Die Physiker konnten damit zeigen, dass das Grundprinzip des magnetischen Teilchen-Einfangs tatsächlich funktioniert. In dem vorgeschlagenen Magnetfeld lassen sich Teilchen aufsammeln und in einen Fusionsreaktor leiten. Damit kann eine beträchtliche Beschleunigung erzielt werden – bis hin zu relativistischen Geschwindigkeiten.

Gewaltige Dimensionen
Wenn man allerdings die Größe des magnetischen Trichters berechnet, schwindet die Hoffnung auf einen Besuch bei unseren galaktischen Nachbarn schnell. Um einen Schub von 10 Millionen Newton zu erzielen – das entspricht zweimal dem Hauptantrieb des Space Shuttle – müsste der Trichter einen Durchmesser von knapp 4.000 Kilometer haben. Eine technisch weit fortgeschrittene Zivilisation könnte so etwas vielleicht bauen, aber das eigentliche Problem ist die notwendige Länge der Magnetfelder: Rund 150 Millionen Kilometer lang müsste der Trichter sein – das ist der Abstand zwischen Sonne und Erde.

Nach einem halben Jahrhundert Hoffnung auf Interstellarreisen in ferner Zukunft zeigt sich nun also: Der Ramjet-Antrieb ist zwar eine interessante Idee, wird aber auch in Zukunft bloß Teil der wissenschaftlich fundierten Science-Fiction-Literatur bleiben. Wenn wir unsere kosmischen Nachbarn eines Tages besuchen möchten, müssen wir uns wohl doch etwas anderes einfallen lassen.

Publikation
Peter Schattschneider und Albert Jackson, The Fishback ramjet revisited, Acta Astronautica, 191, 227 (2021): https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0094576521005804#!%C2%A0
pdf: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0094576521005804/pdfft?md5=4731d9bbee3477879385634478fd6175&pid=1-s2.0-S0094576521005804-main.pdf1&originCreation=20211223115607
DOI: The Fishback ramjet revisited

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• SCIENCE FICTION: Interstellare Infrastruktur

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Quelle: TU Wien.

Wetter in unserem Sinn gibt es im Weltraum natürlich keines – trotzdem kann Gestein auch im Vakuum des Alls „verwittern“, wenn es andauernd von energiereichen Teilchen bombardiert wird, die etwa von der Sonne ausgesendet werden. In einer ganz speziellen Situation befindet sich der Marsmond Phobos: Er ist dem Mars so nahe, dass dort nicht nur der Sonnenwind, sondern auch das Bombardement durch Partikel vom Mars eine entscheidende Rolle spielt. Ein Forschungsteam der TU Wien konnte das nun in Laborexperimenten nachmessen. Schon in wenigen Jahren soll eine japanische Weltraummission auf Phobos Gesteinsproben nehmen und zur Erde zurückbringen.

Milliarden Jahre Teilchenbeschuss
„Es gibt unterschiedliche Theorien, wie der Mars-Mond Phobos entstanden sein könnte“, sagt Paul Szabo, der in der Forschungsgruppe von Prof. Friedrich Aumayr am Institut für Angewandte Physik der TU Wien an seiner Dissertation arbeitet. „Es ist denkbar, dass Phobos ursprünglich ein Asteroid war, der dann vom Mars eingefangen wurde, er könnte aber auch bei einer Kollision eines größeren Himmelskörpers mit dem Mars entstanden sein.“

Wenn man solche Himmelskörper untersucht, muss man immer berücksichtigen, dass sich ihre Oberflächen im Lauf von Milliarden Jahren durch kosmischen Teilchenbeschuss völlig verändert haben. Das Gestein auf der Erde bleibt davon unberührt, weil unsere Atmosphäre die Teilchen abschirmt. Doch die Geologie atmosphäreloser Himmelskörper wie etwa unserem Mond oder Phobos kann man nur dann verstehen, wenn es gelingt, die „Weltraum-Verwitterung“ richtig einzuschätzen.

Daher wurden an der TU Wien aufwändige Experimente durchgeführt: „Wir haben Gesteinsmaterial verwendet, wie es auch auf Phobos vorkommt und es in Vakuumkammern mit unterschiedlichen geladenen Teilchen beschossen“, erklärt Paul Szabo. „Mit einer extrem präzisen Waage kann man messen, wie viel Material dabei abgetragen wird, und welche Teilchen sich wie stark auf das Gestein auswirken.“

Dabei muss man die besonderen Eigenschaften des Mondes Phobos berücksichtigen: Sein Abstand zur Marsoberfläche beträgt weniger als 6000 km – das sind nicht einmal zwei Prozent des Abstands zwischen unserem Mond und der Erde. Genau wie unser Mond befindet er sich in einer gebundenen Rotation um seinen Planeten: Er wendet dem Mars immer dieselbe Seite zu.

„Aufgrund des extrem kleinen Abstands zwischen Mars und Phobos spielen auf der Phobos-Oberfläche nicht nur Partikel eine Rolle, die von der Sonne ausgesandt werden, sondern auch Partikel vom Mars“, sagt Paul Szabo. Die Marsatmosphäre besteht hauptsächlich aus Kohlendioxid. Aber in den äußeren Regionen der Atmosphäre finden sich auch größere Mengen an Sauerstoff. Wenn Teilchen des Sonnenwinds dort mit großer Wucht eindringen, können dabei Sauerstoff-Ionen entstehen, die dann mit hoher Geschwindigkeit auf Phobos treffen und dort das Gestein verändern.

Daten für Weltraummission 2024
„Wir konnten mit unseren Messmethoden die Erosion viel genauer abschätzen als das bisher möglich war“, sagt Friedrich Aumayr. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass man den Effekt der Sauerstoff-Ionen aus der Mars-Atmosphäre keinesfalls vernachlässigen darf. Wichtig ist auch, zwischen den beiden Seiten von Phobos zu unterscheiden: Während auf der Mars-abgewandten Seite der Sonnenwind dominiert, überwiegt auf der anderen Seite, wenn die Sonne vom Mars abgeschirmt wird, das Bombardement von der Mars-Atmosphäre.“

Diese Überlegungen könnten bald auch bei der Auswertung echter Phobos-Proben eine wichtige Rolle spielen: Bereits 2024 soll im Rahmen der japanischen Weltraummission MMX (Martian Moon eXploration) ein Raumfahrzeug Phobos erreichen und Gesteinsproben zur Erde zurückbringen.

Originalpublikation
P. S. Szabo, et al., Experimental Insights into Space Weathering of Phobos: Laboratory Investigation of Sputtering by Atomic and Molecular Planetary Ions, Journal of Geophysical Research: Planets

Verwandte Meldungen bei Raumfahrer.net:

• DLR: Erste Tests zur Landung des MMX-Rovers (30. September 2020)
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• Marsmonde Phobos und Deimos

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Auf dem Atomkern basierende Uhren könnten unsere Zeitmessung noch genauer machen als heutige Atomuhren. Der Schlüssel dazu liegt in Thorium-229, einem Atomkern, dessen niedrigster angeregter Zustand eine sehr geringe Energie aufweist. Einem Forscherteam aus dem Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg, der Technischen Universität Wien, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), dem Helmholtz-Institut Mainz (HIM) und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt ist es nun gelungen, diese niedrige Energie zu messen. Mit einem extrem genauen Detektor konnte der winzige Temperaturanstieg nachgewiesen werden, der durch die bei der Abregung des Atomkerns freigesetzte Energie entsteht. Damit kommt man der Realisierung einer Kernuhr einen großen Schritt näher.

Beim radioaktiven Zerfall ordnen sich Atomkerne spontan neu an, emittieren einen Teil ihrer Bestandteile und verwandeln sich in einen Kern eines anderen Atoms. Bei diesem Prozess verbleibt im neuen „Tochterkern“ normalerweise intern gespeicherte Energie, die in Form von Gammastrahlen freigesetzt wird. Die Energien dieser Strahlen sind – wie Fingerabdrücke – für jeden Kerntyp charakteristisch. Durch die Charakterisierung dieser Gammastrahlen-Fingerabdrücke lernen die Forscher viel über Atomkerne.

Bereits 1976 untersuchten L.A. Kroger und C.W. Reich den Zerfall von Uran-233, einem künstlichen Urankern, der unter Aussendung eines Alphateilchens zu Thorium-229 zerfällt; unmittelbar darauf folgt die Emission charakteristischer Gammastrahlen, die in unterschiedlichen und im Allgemeinen gut verstandenen Mustern auftreten. Kroger und Reich registrierten jedoch eine Anomalie: Eine Energie im Spektrum der Gammastrahlung, die von allen Nukleartheorien vorhergesagt wurde, fehlte in den gemessenen Signalen. Die beste Erklärung war, dass die im niedrigsten angeregten Zustand von Thorium-229 gespeicherte innere Energie zu gering war, als dass die entsprechende Strahlung von den Detektoren beobachtet werden konnte. In den folgenden Jahrzehnten wurden viele Versuche unternommen, diese niederenergetische Gammastrahlung zu beobachten, allerdings ohne Erfolg, wodurch sie auf immer niedrigere Energien beschränkt wurde.

Perspektiven für die Konstruktion einer Kernuhr verbessert
Heute wissen wir, dass der niedrigste angeregte Energiezustand des Thorium-229-Kerns, ein sogenannter Isomerenzustand, bei der niedrigsten bekannten Energie aller Atomkerne überhaupt liegt, bei einer Energie, die um Größenordnungen niedriger ist als übliche Anregungsenergien. Folglich ist die Energie der zugehörigen Gammastrahlung so niedrig, dass sie im ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums und nicht im typischen Gammastrahlenbereich liegt. Dies führt zu der einzigartigen Situation, dass der umgekehrte Prozess der Abregung durch die Emission dieser „ultravioletten Gammastrahlung“, nämlich die Anregung des unteren Zustands durch Einstrahlen von ultraviolettem Licht auf den Kern, möglich ist.

Es ist das einzige Kernsystem, das mit „Table-Top“-Laserlicht angeregt werden kann. Damit eröffnen sich spannende Perspektiven, unter anderem die Konstruktion einer „nuklearen“ Uhr, bei der die Zeit durch Schwingungen des Kerns zwischen diesen beiden Zuständen gemessen wird. Die Präzision einer solchen Uhr wird voraussichtlich besser sein als die der derzeit besten Atomuhren, die auf Schwingungen zwischen Zuständen in der Elektronenhülle beruhen, die anfälliger für externe Störungen ist als der 10.000 Mal kleinere Kern.

Das Hauptproblem besteht jedoch darin, dass die Energie des isomeren Zustands noch nicht genau genug bekannt ist, um zu wissen, welches ultraviolette Licht benötigt wird, um die Schwingung zu stimulieren. Das Konsortium von Forschern aus Heidelberg, Wien, Mainz und Darmstadt hat nun die Gammaspektroskopie-Messung von Kroger und Reich wiederholt, allerdings unter Verwendung eines hochmodernen Gammaspektrometers, das explizit für die Registrierung von Strahlen solch niedriger Energie ausgelegt ist.

Kühle Studien ergeben höchste Präzision
Dazu entwickelte das Forscherteam um Prof. Dr. Christian Enss und Dr. Andreas Fleischmann am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg ein magnetisches Mikrokalorimeter, genannt „maXs30“. Dieser auf minus 273 Grad Celsius gekühlte Detektor misst den winzigen Temperaturanstieg, der bei der Absorption einer niederenergetischen Gammastrahlung auftritt. Der Temperaturanstieg führt zu einer Änderung der magnetischen Eigenschaften des Detektors, die dann mithilfe von SQUID-Magnetometern, ähnlich denen, die üblicherweise in der Magnetresonanztomographie verwendet werden, in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Der maXs30-Detektor hat eine bisher unerreichte Energieauflösung und Verstärkungslinearität; dennoch brauchte es etwa zwölf Wochen kontinuierlicher Messungen, um das Gammastrahlenspektrum mit ausreichender Genauigkeit zu erhalten.

Um diese anspruchsvolle Messung zu ermöglichen, stellte das Team von Prof. Dr. Christoph Düllmann in Mainz und Darmstadt eine spezielle Probe von Uran-233 her. Zunächst entfernten sie chemisch alle Zerfalls-Tochterprodukte, die im Laufe der Zeit vor der Verwendung der Probe entstanden waren. Außerdem entfernten sie unerwünschte Radioisotope, deren Zerfall zu einem unerwünschten Untergrund in den Messdaten führt. Dann entwarfen sie eine Quellengeometrie und einen Probenbehälter, die zu minimalen Störungen der schwachen Signale auf dem Weg von der Probe zu den maXs30-Kalorimetern führten. Diese Schritte waren für den Erfolg der Messung erforderlich, da nur einer von 10.000 Abregungsvorgängen ein Signal erzeugt, das für die Bestimmung der Isomerenenergie nutzbar ist.

Die Messung ergab das bisher präziseste Gammastrahlenspektrum des Zerfalls von Uran-233 zu Thorium-229. Das Team von Prof. Dr. Thorsten Schumm an der Technischen Universität Wien hat zusammen mit dem Heidelberger Team vier verschiedene Schemata angewandt, um aus diesen Daten die Energie des Isomerenzustands abzuleiten. Das präziseste ergab einen Wert von 8,10(17) Elektronenvolt, was Licht einer Wellenlänge von 153,1(32) Nanometer entspricht, wobei die Zahl in Klammern die Unsicherheit der letzten Ziffern angibt. Diese Messung ebnet den Weg für eine direkte Laseranregung des Thorium-229-Isomers.

Veröffentlichung:
Tomas Sikorsky et al.
Measurement of the 229Th Isomer Energy with a Magnetic Microcalorimeter
Physical Review Letters, 28. September 2020
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.142503
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.142503

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