Quelle: Technische Universität München 4. September 2024.

4. September 2024 – Wie verläuft der kürzeste Weg zur nächsten Haltestelle oder zum verabredeten Treffpunkt? Global Positioning Systeme (GPS) sind für die meisten eine Selbstverständlichkeit geworden. Bisher gab es allerdings nur Vermutungen darüber, wie viele GPS-Satelliten wirklich benötigt werden, um die Position eines Handys oder eines anderen Navigationsgeräts exakt zu bestimmen. Forschende der Technischen Universität München (TUM) und der Eindhoven University of Technology (TU/e) haben nun den Beweis erbracht, dass ab einer Anzahl von fünf Satelliten der genaue Standort in den allermeisten Fällen bestimmt werden kann. Derzeit ist in der Regel nur der Kontakt zu vier Satelliten sichergestellt.

In der Regel geben uns Global Positioning Systeme bis auf weniger Meter genau unseren Standort an. Jeder kennt aber auch Situationen, in denen die Ortung nur auf einige hundert Meter genau angezeigt wird oder der Standort sogar falsch ist. Ein Grund hierfür kann die geringe Anzahl oder ungünstige Anordnung der Satelliten sein, zu denen das Navigationsgerät gerade Sichtkontakt hat.

Wie funktioniert GPS?
GPS-Satelliten sind mit einer extrem präzisen Atomuhr ausgestattet und kennen ihre Position zu jeder Zeit. Sie senden die Uhrzeit und ihren Standort kontinuierlich über Funkwellen. Ein Handy oder ein anderes Navigationsgerät empfängt diese Signale von allen Satelliten, zu denen es Sichtkontakt hat. Die Differenz zwischen der Ankunftszeit auf der lokalen Uhr des Empfängers und der von der Satellitenuhr aufgezeichneten Sendezeit entspricht der Zeit, die das Signal vom Satelliten zum Empfänger benötigt. Da sich Funkwellen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, errechnet sich hieraus die zurückgelegte Strecke. Aus den Positionen der Satelliten und der zurückgelegten Strecke wird über ein Gleichungssystem die Position des Empfängers bestimmt.

Nicht berücksichtigt wird bei dieser vereinfachten Darstellung, dass die lokale Uhr des Empfängers keine Atomuhr ist. Geht diese nur eine Millionstel Sekunde falsch, entsteht bei der Positionsbestimmung eine Ungenauigkeit von mindestens 300 Metern. Das GPS-Problem besteht nun darin, dass das Handy oder ein anderes Navigationsgerät zusammen mit dem Standort auch die genaue Zeit bestimmen muss – bekannt aus der Relativitätstheorie als sogenannte Raumzeit.

Ist die Anzahl der Satelliten, die sich in Sichtkontakt befinden, zu gering, funktioniert das System nicht mehr zuverlässig und liefert mehrere Lösungen – also unterschiedliche Orte, an denen sich der Empfänger befinden könnte. Dann kann die Situation auftreten, dass beispielsweise ein Handy gar keinen oder den falschen Standort angibt. Bislang wurde nur vermutet, wie viele Satelliten benötigt werden, um für das GPS-Problem eindeutige Lösungen zu erhalten.

Fünf Satelliten für eine genaue Standortbestimmung
Mireille Boutin, Professorin für diskrete Algebra und Geometrie an der TU/e und Gregor Kemper, Professor für algorithmische Algebra an der TUM ist es nun gelungen, mathematisch zu beweisen, dass ab einer Anzahl von fünf Satelliten die exakte Position des Empfängers in den allermeisten Fällen eindeutig bestimmt werden kann. „Auch wenn das schon lange vermutet wurde, hat es bisher niemand geschafft, einen Beweis zu finden. Das war auch nicht ganz einfach: Tatsächlich haben wir über ein Jahr an dem Problem gearbeitet, bis wir soweit waren“, sagt Kemper. Aktuell ist auf der Erde sichergestellt, dass überall und zu jedem Zeitpunkt vier Satelliten in Sichtkontakt stehen. „Bei nur vier Satelliten scheint es ganz grob gesprochen so zu sein, dass die Wahrscheinlichkeit für eine eindeutige Lösbarkeit des GPS-Problems bei 50 Prozent liegt. Das zu beweisen ist eines unserer nächsten Projekte“, so Kemper. Bei drei oder weniger Satelliten im Sichtbereich funktioniert GPS-Navigation definitiv nicht.

Geometrie und Eindeutigkeit
Gelungen ist den Forschenden der Beweis, indem sie das GPS-Problem geometrisch charakterisierten. Sie fanden heraus, dass die Position des Empfängers nicht eindeutig bestimmt werden kann, wenn die Satelliten auf einem sogenannten zweischaligen Rotationshyperboloid liegen. Hierbei handelt es sich um eine gekrümmte Fläche, die in alle Richtungen geöffnet ist. Obwohl dies zunächst ein theoretisches Ergebnis ist, hat es praktische Auswirkungen, denn es ermöglicht, Ungenauigkeiten in der Positionsbestimmung besser zu verstehen.

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• GPS

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Quelle: Technische Universität München 2. September 2024.

2. September 2024 – Der Mond ist staubig und kahl. Der vertraute Heimatplanet Erde liegt rund 360.000 km entfernt, die Gravitationskraft ist nur ein Sechstel der Erdanziehung und es herrscht absolute Luftleere. Wie besiedelt und bewirtschaftet man eine solche Umgebung? Mit dieser Herausforderung haben sich 42 talentierte Studierende und junge Berufstätige aus 21 Ländern eine Woche lang auf dem Space Station Design Workshop (SSDW) an der Technischen Universität München (TUM) am Raumfahrtcampus Ottobrunn auseinandergesetzt.

Vor über 50 Jahren hat ein Mensch das letzte Mal den Mond betreten. Lange nach der letzten Apollo-Mission im Jahr 1972 hat ein neues Wettrennen um bemannte Missionen zum Mond begonnen. Nicht nur die NASA und ESA, sondern auch die Raumfahrtagenturen aus Russland, China und Indien sowie private Unternehmen wollen zum Mond. Schon heute ist von Plänen über die Besiedlung des Erdtrabanten zu lesen. Eines Tages soll er als „Hub“ und Zwischenstation für weite Reisen in die Tiefen des Weltraums dienen.

Zwei Teams, ein Wettbewerb
Doch wie überlebt man bei Temperaturen zwischen plus 120 und minus 230 Grad Celsius? Woher kommen die lebensnotwendige Atemluft und das Trinkwasser? Was passiert mit den menschlichen Ausscheidungen und kann man auf dem Mond auch Videos streamen?

Mit diesen und vielen weiteren Fragen und Herausforderungen haben sich die 42 Teilnehmenden des SSDW 2024, der vom 24. bis 30. August 2024 stattfand, beschäftigt. Eine Woche lang und oft bis tief in die Nacht grübelten die Teilnehmenden aufgeteilt in „Team Weiß“ und „Team Blau“ über diese Fragen. Die Aufgabenstellung? Nichts Geringeres als die Entwicklung eines umfassenden Infrastruktur-Netzwerks für die Bewirtschaftung des Mondes bis zum Jahr 2050, das bis 2070 vollständig betriebsbereit sein soll.

WLAN und medizinische Versorgung
Das kleine Dorf auf dem Mond soll alles haben, was man zum Überleben braucht. Darüber hinaus soll die Siedlung perspektivisch wirtschaftlich rentabel sein. Die Teams tüftelten am Strahlenschutz der Unterkünfte, überlegten wie viele unbemannte Rover es zur Erkundung braucht und ob die bemannten Fahrzeuge mit einer Druckkabine ausgestattet werden sollten oder die Raumfahrenden doch lieber im sperrigen Raumanzug unterwegs sind. Bei der Besprechung der vorläufigen Präsentationen gaben die beratenden Experten und Expertinnen zu bedenken, ob die notwendige Kommunikation über WLAN in den Unterkünften aus Aluminium noch funktionieren und ob zwei medizinische Einrichtungen für perspektivisch 75 dauerhaft angesiedelte Astronautinnen und Astronauten ausreichen würden.

Große Herausforderungen lauern nicht nur bei den lebenserhaltenden Maßnahmen, der Technik und Kommunikation, sondern auch bei der Wertschöpfung. Schließlich soll die Besiedlung nicht nur Geld kosten, sondern als Zwischenstation für Raumfahrtexpeditionen auch Erlöse erwirtschaften.

Die Aufgabenstellung nennt konkrete Zahlen: Mit Beginn der Station im Jahr 2050 sollen monatlich 10 Tonnen Treibstoff und bis 2070 100 Tonnen Treibstoff hergestellt werden. Die Teilnehmenden feilen bis zum Schluss an einem Businessplan. Wie teuer ist die Treibstoffherstellung, wie viel wird für den Weiterflug benötigt, welche Preise können für den Tankstopp verlangt werden? All dies gilt es zu berücksichtigen. Auf der Suche nach weiteren Einnahmequellen sind die Teams kreativ. Ein Team plant gar die Herstellung von lunarem Wein als exklusives Exportprodukt.

Interdisziplinäre Expertise
Für die Besiedlung des Monds braucht man also nicht nur Raumfahrtexpertise, sondern auch fundierte Kenntnisse unter anderem aus den Bereichen Architektur, Biologie, Medizin, Recht und Betriebswirtschaft. Die Teams profitieren hier gegenseitig von ihrem interdisziplinären Hintergrund. Gleichzeitig werden sie intensiv von 24 Expertinnen und Experten aus Wissenschaft und Industrie betreut. Zahlreiche Vorlesungen zu Themen wie Projektmanagement, Weltraumrecht, Kommunikation, Robotik oder Strahlung vermitteln weiteres Grundlagenwissen.

Siegerehrung über den Dächern Münchens
Am Freitag ist es endlich so weit. Nach einer Woche harter Arbeit präsentieren beide Teams ihre Entwürfe. Erstmalig in der Geschichte des SSDW werden nicht nur Präsentationen mit den Konzepten vorgestellt, sondern auch Modelle aus dem 3D-Drucker. Auf einer ein Quadratmeter großen Mondlandschaft werden die Stationen, Start- und Landepads, die Infrastruktur zur Energie- und Ressourcengewinnung und weitere Details im Maßstab 1:200 vorgestellt. Die Jury bestand aus den 24 Expertinnen und Experten. Unter Ihnen ist auch Astronaut Reinhold Ewald, der in den vergangenen Jahren Organisator des Workshops war.

Die Anspannung der Teilnehmenden muss nun der Geduld weichen. Denn vor der Siegerehrung geht es nach München. Für die Preisverleihung hat sich das Veranstaltungsteam einen besonderen Raum ausgesucht – weit über den Dächern der Landeshauptstadt. Im Vorhoelzer Forum am Stammsitz der TUM endet schließlich der SSDW 2024. Das Sieger-Team lautet am Schluss denkbar knapp: „Team Weiß“.

Weitere Informationen
Der SSDW, fand seit 1996 regelmäßig am Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart statt. An den Luft- und Raumfahrtcampus der TUM in Ottobrunn brachte ihn Prof. Gisela Detrell mit, die kürzlich zur Professorin für Human Spaceflight Technology an die TUM berufen wurde. Als Studentin hatte sie selbst 2009 am Workshop teilgenommen. Diese Erfahrung hat sie nicht nur in ihrem Wunsch nach einer Forscherinnenkarriere im Bereich der Raumfahrt bestärkt, sondern auch zu einem prägenden Mitglied des Organisationsgremiums gemacht. Künftig wird der SSDW jährlich abwechselnd an der TUM und in Stuttgart am IRS abgehalten.

Finanziert wurde der Workshop hauptsächlich durch das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der TUM. Darüber hinaus unterstützen zahlreiche Unternehmen und Agenturen den Workshop, entweder finanziell, durch die Entsendung einer Expertin oder eines Experten oder durch die Bereitstellung von Softwarelizenzen.

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• Raumfahrtbezogene Ausbildung / studentischer Satellitenbau

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Quelle: Technische Universität München 13. März 2024.

13. März 2024 – Wie wird sichergestellt, dass Daten, die über das Internet übermittelt werden auch nur den beabsichtigen Empfänger erreichen? Aktuell werden unsere Daten mathematisch verschlüsselt. Das heißt, hinter der Verschlüsselung steckt die Idee, dass es schwierig ist, eine große Zahl in ihre Faktoren zu zerlegen. Durch die steigende Rechenleistung von Quantencomputern ist davon auszugehen, dass diese mathematischen Codes zukünftig nicht mehr sicher sein werden.

Verschlüsselung mithilfe der physikalischen Gesetze
Tobias Vogl, Professor für Quantum Communication Systems Engineering, arbeitet an einem Verschlüsselungsverfahren, das mithilfe der physikalischen Gesetze funktioniert. „Die Sicherheit basiert darauf, dass die Informationen in einzelne Lichtteilchen kopiert und anschließend übertragen werden. Die physikalischen Gesetze erlauben es dabei nicht, diese Informationen unbemerkt auszulesen oder zu kopieren. Sobald die Informationen abgehört werden, verändern die Lichtteilchen ihren Zustand. Da wir diese Zustandsänderung messen können, wird jeder Abhörversuch, unabhängig von zukünftigen technischen Entwicklungen, sofort erkannt“, sagt Tobias Vogl.

Die große Herausforderung bei der sogenannten Quantenkryptographie besteht darin, Daten über weite Distanzen zu übertragen. In der klassischen Kommunikation wird Information in viele Lichtteilchen kodiert und über Glasfasern verschickt. Die Information in einem einzelnen Lichtteilchen kann jedoch nicht kopiert werden, weshalb man das Lichtsignal nicht – wie bei der aktuellen Kommunikation über Glasfaserkabel – immer wieder verstärken kann. Dadurch können Informationen nur über einige 100 Kilometer übermittelt werden.

Um Informationen auch in andere Städte oder Kontinente zu übertragen, soll zukünftig der Aufbau der Atmosphäre genutzt werden. Ab einer Höhe von etwa zehn Kilometern ist die Atmosphäre so dünn, dass Licht weder gestreut noch absorbiert wird. Mithilfe von Satelliten ist es so möglich, Quantenkommunikation auch über weite Strecken zu betreiben.

Satelliten ermöglichen die Quantenkommunikation
Im Rahmen der sogenannten QUICK³-Mission entwickelt Tobias Vogl gemeinsam mit seinem Team ein komplettes System mit allen Komponenten, die benötigt werden, um einen Satelliten für die Quantenkommunikation zu bauen. In einem ersten Schritt hat das Team die einzelnen Komponenten des Satelliten individuell getestet. Im nächsten Schritt wollen sie das gesamte System im Weltraum erproben. Hierbei untersuchen die Forschenden, ob die Technik überhaupt den Bedingungen des Weltraums standhält und wie die einzelnen Komponenten des Systems miteinander interagieren. Die Mission ist für 2025 geplant. Um für die Quantenkommunikation ein lückenloses Netz aufzubauen, werden allerdings hunderte oder sogar tausende Satelliten benötigt.

Hybrides Netzwerk zur Verschlüsselung
Nicht alle Informationen sollen zukünftig über diesen Weg übertragen werden, da das Verfahren sehr aufwendig und teuer ist. Vorstellbar ist ein hybrides Netzwerk, in dem Daten entweder mathematisch oder physikalisch verschlüsselt werden. Antonia Wachter-Zeh, Professorin für Codierung und Kryptographie, arbeitet daran, mathematisch so komplexe Algorithmen zu entwickeln, dass diese auch von einem Quantencomputer nicht gelöst werden können. Bei den meisten Informationen wird es auch zukünftig ausreichen, die Informationen mithilfe mathematischer Algorithmen zu verschlüsseln. Nur für besonders schützenswerte Dokumenten, die beispielsweise zwischen zwei Banken ausgetauscht werden, kommt zukünftig die Quantenkryptographie infrage.

Mehr Informationen:

• Seit Juli 2023 ist Tobias Vogl Professor für Quantum Communication System Engineering an der School of Computation, Information and Technology. In seiner Forschung fokussiert er sich auf optische Quantentechnologien in Festkörper-Kristallen. Insbesondere werden fluoreszierende Defekte im 2D-Material hexagonales Bornitrid untersucht, welche mit resonanten Nanostrukturen und photonischen Schaltkreisen kombiniert werden, um sie als Bauelemente für die Quanteninformationsverarbeitung und in Quantennetzwerken zu nutzen.
• Bei der QUICK³-Mission handelt es sich um ein internationales Forschungsprojekt, an dem Forschende der Friedrich-Schiller-Universität Jena, der Humboldt-Universität zu Berlin, der Technischen Universität Berlin, dem Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik und des Institute for Photonics and Nanotechnologies in Italien, sowie der National University of Singapore beteiligt sind.

Originalpublikation:
Najme Ahmadi, Sven Schwertfeger, Philipp Werner, Lukas Wiese, Joseph Lester, Elisa Da Ros, Josefine Krause, Sebastian Ritter, Mostafa Abasifard, Chanaprom Cholsuk, Ria G. Krämer, Simone Atzeni, Mustafa Gündoğan, Subash Sachidananda, Daniel Pardo, Stefan Nolte, Alexander Lohrmann, Alexander Ling, Julian Bartholomäus, Giacomo Corrielli, Markus Krutzik, Tobias Vogl. „QUICK3 – Design of a Satellite-Based Quantum Light Source for Quantum Communication and Extended Physical Theory Tests in Space“. Adv. Quantum Technol. (2024).
doi.org/10.1002/qute.202300343
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/qute.202300343

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• Quantenkommunikation im Weltraum?

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Quelle: UniBw M 15. Februar 2024.

15. Februar 2024 – Das Forschungsprojekt SeRANIS an der Universität der Bundeswehr München gibt die Kooperation mit dem Münchner Start-up OroraTech bekannt. Im Zentrum eines der Schlüsselprojekte des dtec.bw steht eine Kleinsatellitenmission, mit der die Bundeswehr mehr als zehn innovative Experimente mit Zukunftstechnologien durchführt.

Zusammen mit dem Start-up OroraTech werden die ersten vier SeRANIS-Experimente noch vor dem geplanten Start des SeRANIS-Kleinsatelliten »Athene 1« im Jahr 2025 in den Orbit gebracht. Die Kooperation zwischen SeRANIS und OroraTech ist ein bislang noch seltenes Beispiel, neue Wege der Zusammenarbeit zwischen Bundeswehr und Gründungsszene zu gehen, um Technologielösungen voranzutreiben.

OroraTech ist ein auf die satellitengestützte Erkennung von Waldbränden spezialisiertes Unternehmen und eine Ausgründung der Technischen Universität München (TUM). Das Start-up wird seine Satellitenplattform für eine In-Orbit-Demonstrationsmission (IOD) der SeRANIS-Experimente zur Verfügung stellen. Der Vertragsabschluss mit OroraTech unterstreicht das Vertrauen des SeRANIS-Teams in die Fähigkeiten des Start-ups, gemeinsam neue Wege in der Weltraumforschung zu gehen. Damit wird nicht nur die Forschung auf höchstem Niveau für und im Weltraum vorangetrieben, sondern gleichzeitig die Förderung innovativer Start-ups durch die Einbindung in die Missionen forciert. Mit Programmen wie der Start-up Challenge »Per Anhalter in den Orbit« fördert SeRANIS gezielt die Einbindung von jungen Unternehmen in seine Kleinsatellitenmission und bietet eine seltene Gelegenheit, Konzepte im Weltraum zu testen.

Das SeRANIS-Team freut sich auf die weitere Zusammenarbeit mit OroraTech, sowohl auf der Erde als auch im Weltraum und betont die Bedeutung dieser Partnerschaft für die Erweiterung der technologischen Möglichkeiten und die Förderung von Innovationen im Bereich der Dual-Use-Forschung. Die gemeinsamen Projekte leisten einen wichtigen Beitrag für die digitale Souveränität Deutschlands, insbesondere in den Bereichen digitaler Technologien, Klimaschutz und Energiewende.

Über SeRANIS
SeRANIS wird erstmals in Deutschland eine integrierte Laborumgebung umsetzen, die Mobilfunksysteme der nächsten Generation mit modernen Kommunikationssatellitennetzwerken der »New Space« Ära verbindet. Es übernimmt als erste Kleinsatellitenmission der Bundeswehr eine Führungsrolle als agiler »Space Innovation Hub« und ermöglicht der Bundeswehr Zugang zu strategisch relevanten Weltraumtechnologien. SeRANIS ist ein dtec.bw-gefördertes Projekt an der Universität der Bundeswehr München.

Das dtec.bw ist ein von beiden Universitäten der Bundeswehr getragenes wissenschaftliches Zentrum und Bestandteil des Konjunkturprogramms der Bundesregierung zur Überwindung der COVID-19-Krise. Die Federführung liegt bei der Universität der Bundeswehr München. Die Mittel, mit dem das dtec.bw vom Geschäftsbereich BMVg ausgestattet wurde, werden an beiden Universitäten der Bundeswehr zur Finanzierung von Forschungsprojekten und Projekten zum Wissens- und Technologietransfer (insbesondere zu Förderungen von Gründungen) eingesetzt. Mit der Aufnahme in den Deutschen Aufbau- und Resilienzplan (DARP) wird dtec.bw von der Europäischen Union – NextGenerationEU finanziert.

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• Satellitenmission SeRANIS

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Quelle: Technische Universität München 8. November 2023.

8. November 2023 – Forschenden der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, die Rotation der Erde noch genauer zu messen. Mithilfe des Ringlasers am Geodätischen Observatorium in Wettzell lassen sich nun Daten erheben, die in ihrer Qualität weltweit einmalig sind. Die Messungen sollen neben der Positionsbestimmung der Erde im Weltall auch der Klimaforschung zugutekommen und Klimamodelle zuverlässiger machen. In die Entwicklung der Messanlage sind annähernd 20 Jahre an Forschungsarbeit geflossen.

Mal eben in den Keller gehen und nachsehen, wie schnell sich die Erde in den letzten Stunden gedreht hat? Am Geodätischen Observatorium Wettzell ist das nun möglich. Forschende der TUM haben den dortigen Ringlaser so verbessert, dass er tagesaktuelle Daten liefert – bislang war das in vergleichbarer Datenqualität nicht möglich.

Aber was misst der Ringlaser genau? Die Erde dreht sich auf ihrer Reise durch das Weltall nicht gleichmäßig schnell um die eigene Achse. Zudem ist die Drehachse des Planeten nicht fest, sondern kippt ein wenig. Das liegt daran, dass unser Planet nicht massiv ist, sondern aus unterschiedlichen, teils flüssigen, Bestandteilen besteht. Die Erde ist also in sich ständig in Bewegung. Diese Massenverschiebungen beschleunigen oder bremsen die Rotation. Diese Unterschiede lassen sich mit Messsystemen, wie dem Ringlaser der TUM, messen.

„Rotationsschwankungen sind nicht nur für die Astronomie wichtig, wir brauchen Sie auch dringend um Klimamodelle zu erstellen oder Wetterphänomene wie El Niño besser zu verstehen – je genauer die Daten, desto besser die Vorhersagen“, sagt Prof. Ulrich Schreiber, der das Projekt am Observatorium für die TUM geleitet hat.

Sensoren und Korrekturalgorithmus überarbeitet
Bei der Überarbeitung des Ringlasers, war dem Team wichtig, eine gute Balance zwischen Größe und mechanischer Stabilität zu finden. Je größer eine Anlage nämlich ist, desto empfindlicher kann sie messen. Allerdings leidet darunter die Stabilität und damit die Genauigkeit.

Eine weitere Herausforderung stellte die Symmetrie der beiden gegenläufigen Laserstrahlen dar – des Herzstücks der Anlage in Wettzell. Nur wenn die Wellenformen beider Strahlen nahezu identisch sind, kann eine genaue Messung stattfinden. Allerdings ist eine gewisse Asymmetrie bauartbedingt immer vorhanden. Durch ein theoretisches Modell für die Laseroszilllationen, ist es den Geodäten über die letzten vier Jahre hinweg gelungen, diese systematischen Effekte so weit zu erfassen, dass sie sich über einen langen Zeitraum genau berechnen lassen und so aus den Messungen herausgenommen werden können.

Anlage misst deutlich genauer
Durch diesen neuen Korrekturalgorithmus kann die Anlage die Erdrotation bis auf neun Stellen genau messen. Das entspricht einem Bruchteil von einer Millisekunde pro Tag. Bezogen auf die Laserstrahlen entspricht das einer Unsicherheit erst an der 20. Stelle der Lichtfrequenz und das stabil über mehrere Monate hinweg. Insgesamt erreichte das auf und ab der beobachteten Schwankungen Werte von bis zu 6 Millisekunden über Zeiträume von ca. 2 Wochen hinweg.

Mit den Verbesserungen am Laser sind jetzt auch deutlich kürzere Messperioden möglich. Die neu entwickelten Korrekturprogramme erlauben dem Team sogar, alle drei Stunden aktuelle Daten zu erfassen. Urs Hugentobler, Professor für Satellitengeodäsie an der TUM sagt: „Eine so hohe zeitliche Auflösung ist für einen eigenständigen Ringlaser in den Geowissenschaften ein Novum. Anders als bei anderen Systemen, agiert unser Laser völlig eigenständig und benötigt keine Referenzpunkte im Weltall. Diese werden bei konventionellen Anlagen über die Beobachtung der Sterne oder Daten von Satelliten erzeugt. Wir sind davon aber unabhängig und zudem auch noch äußerst präzise.“ Unabhängig von der Sternenbeobachtung gemessene Daten können helfen, systematische Fehler aus anderen Messmethoden zu identifizieren und auszugleichen. Vor allem bei hohen Genauigkeitsanforderungen, wie beim Ringlaser, helfen unterschiedliche Verfahren hier besonders akribisch zu arbeiten. Für die Zukunft stehen weitere Verbesserungen der Anlage an, um die Messperioden nochmals zu verkürzen.

Ringlaser messen Interferenzen zweier Laserstrahlen
Ringlaser bestehen aus einem geschlossenen, quadratischen Pfad der aus vier Spiegeln in einem festumschlossenen Cerankörper, dem sogenannten Resonator, besteht und somit seine Länge nicht durch Temperaturschwankungen ändert. Ein Gemisch aus Helium und Neon im Innern des Resonators ermöglicht die Anregung von Laserstrahlung, einmal im Uhrzeigersinn und einmal gegen den Uhrzeigersinn.

Jetzt kommt das entscheidende Element ins Spiel: Ohne eine Bewegung der Erde würde das Licht in beiden Richtungen die gleiche Strecke zurücklegen. Durch die Drehung der Apparatur ist die Strecke für einen Lichtstrahl kürzer, weil sich die Spiegel durch die Erdrotation gewissermaßen auf ihn zu bewegen. In die entgegengesetzte Richtung legt das Licht dagegen eine längere Strecke zurück. Zwischen den beiden Lichtwellen gibt es einen Frequenzunterschied. Dieser Unterschied verursacht eine Schwebungsfrequenz, die sehr genau gemessen werden kann. Je größer die Drehgeschwindigkeit der Erde ist, desto größer ist der Frequenzunterschied. Die Erde dreht sich am Äquator pro Stunde um 15 Grad nach Osten. Dies verursacht am Gerät der TUM ein Signal von 348,5 Hz. Tageslängenschwankungen zeigen sich mit Werten von 1 bis 3 Millionstel Hz (1 – 3 MikroHertz).

Der Ringlaser im Keller des Observatoriums in Wettzell hat je eine Seitenlänge von vier Metern. Die Konstruktion ist in einem massiven Betonpfeiler verankert, der wiederum in rund sechs Metern Tiefe auf massivem Fels der Erdkruste gegründet ist. Das sorgt dafür, dass ausschließlich die Erdrotation auf die Laserstrahlen wirkt und keine anderen Umwelteinflüsse eine Rolle spielen. Geschützt wird die Konstruktion durch eine Druckkabine. Sie registriert Änderungen des Luftdrucks und der Standardtemperatur von 12 Grad und steuert automatisch gegen. Um solche Einflüsse von vornherein gering zu halten, liegt das Labor in fünf Metern Tiefe unter einem künstlichen Hügel. In die Entwicklung der Messanlage sind annähernd 20 Jahre an Forschungsarbeit geflossen.

Publikation
Schreiber, K.U., Kodet, J., Hugentobler, U. et al. Variations in the Earth’s rotation rate measured with a ring laser interferometer. Nat. Photon. (2023). doi.org/10.1038/s41566-023-01286-x
https://www.nature.com/articles/s41566-023-01286-x

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• Planet Erde

Der Beitrag Forschende verbessern die Messung der Erdrotation erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Technische Universität München 7. November 2023.

7. November 2023 – Dass sich Chiara Manfletti für eine Karriere als Ingenieurin entschied, hatte sich nicht unbedingt abgezeichnet. „Ich konnte mir viele Studiengänge vorstellen“, sagt sie: „Meeresbiologie, Journalismus, Tiermedizin oder auch Jura“. Der Wunsch, praktische Probleme zu lösen, gab dann den Ausschlag für das Ingenieurwesen, nur die Richtung war noch offen. „Eines Tages sah ich mit meinen Eltern die Cassini-Huygens-Mission der ESA im Fernsehen und war fasziniert von der Landung der Sonde auf dem Titan. Das hat mich so begeistert, dass ich mich letztlich für die Raumfahrt entschieden habe.“

Europäische Überfliegerin
Heute steht kaum jemand so sehr für den Geist der europäischen Raumfahrt wie Chiara Manfletti: Sie studierte Aeronautical Engineering in London – dem Master am Imperial College folgte ein weiterer an der International Space University in Straßburg und eine Promotion an der RWTH Aachen. Im Anschluss daran arbeitete sie als Forschungsingenieurin für Raketenantriebe beim DLR, bevor sie zur ESA wechselte, wo sie die Abteilung Policy and Programmes Coordination leitete. Während ihrer Zeit bei der ESA war sie auch am Aufbau der nationalen portugiesischen Raumfahrtagentur beteiligt und wurde deren erste Präsidentin.

2022 folgte sie dann dem Ruf an die TUM. „Universitäten werden – auch in Europa – immer mehr zu Inkubatoren für neue Ideen und für Start-ups“, sagt sie. „Ich glaube an der TUM ist für beide Dimensionen ein optimales Umfeld: Für interdisziplinäre Forschung um echte wissenschaftliche Durchbrüche zu erreichen und ein Ökosystem für schnellen Technologietransfer“.

Darüber hinaus ist Chiara Manfletti der Kontakt zu Studierenden sehr wichtig: „Mit Studierenden zu arbeiten, ist inspirierend und eine großartige Sache. Ich freue mich sehr, meine Erfahrungen an sie weiterzugeben und ihnen auch zu vermitteln, wie sie das Meiste aus ihrem Wissen und ihrer Energie machen können,“ sagt sie. „Wenn ich in meiner Karriere Entscheidungen treffen musste, habe ich mich nie gefragt ‚Kann ich das‘, sondern ‚Möchte ich das‘ und das will ich den Studierenden gern mit auf ihren Weg geben.“

Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit zusammen denken
Um die Raumfahrt nachhaltiger zu machen, ist Chiara Manfletti überzeugt, müsse auch die Wirtschaftlichkeit mitgedacht werden. „Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit kann man in der Raumfahrt nicht trennen,“ sagt sie. „Auf den Klimawandel kann es Antworten aus dem All geben, etwa durch Erdbeobachtungsservices, die die Basis für wichtige Forschung sind – die aber auch eine wirtschaftliche Dimension haben.“

An ihrem Lehrstuhl forscht sie beispielsweise an umweltfreundlichen Raumfahrtantrieben, darunter auch die Wasser-Elektrolyse oder die Verwendung von Sauerstoff und Methan. Mit ihrem Start-up Neuraspace widmet sie sich außerdem der Eindämmung und Vermeidung von Weltraumschrott. Auch die Wiederverwertung und Produktion bestimmter Materialien direkt im All wird laut Chiara Manfletti ein wichtiges Thema: „Wir können nicht ewig Ressourcen von der Erde ins All bringen, sondern müssen dort eine Art Kreislaufwirtschaft aufbauen“, sagt sie. „Für eine nachhaltige Zukunft der Raumfahrt müssen wir an Dingen forschen, die heute noch ein bisschen nach Science-Fiction klingen.“

Weitere Informationen und Links
Der Lehrstuhl für Raumfahrtantriebe und -mobilität unter der Leitung von Prof. Chiara Manfletti forscht an innovativen, intelligenten und nachhaltigen Antriebs- und Betriebskonzepten für Raketen und Satelliten.
Der Lehrstuhl wird gefördert über die Hightech Agenda Bayern.

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• Persönlichkeiten der Raumfahrt – Nachrichten

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Quelle: Technische Universität München 12. Dezember 2022.

12. Dezember 2022 – Einem Forschungsteam unter Beteiligung der Technischen Universität München (TUM) ist es nun gelungen, die Überlebensrate von Antihelium-Kernen aus den Tiefen der Galaxis zu bestimmen – eine notwendige Voraussetzung für die indirekte Suche nach Dunkler Materie.

Hinweise auf Dunkle Materie gibt es viele. Daraus, wie sich Galaxien in Galaxienhaufen bewegen, oder wie schnell Sterne um das Zentrum einer Galaxie kreisen, lässt sich errechnen, dass sehr viel mehr Masse vorhanden sein muss als jene, die sichtbar ist. Unser Milchstraßensystem beispielsweise besteht zu rund 85 Prozent aus einer Substanz, die nicht sichtbar ist und sich nur durch ihre Gravitationswirkung bemerkbar macht. Ein direkter Nachweis dieser Materie ist bis heute noch nicht gelungen.

Mehrere theoretische Modelle für Dunkle Materie gehen davon aus, dass sie aus Teilchen bestehen könnte, die schwach untereinander wechselwirken. Dabei entstehen Antihelium-3-Kerne, die aus zwei Antiprotonen und einem Antineutron bestehen. Auch bei hochenergetischen Kollisionen zwischen kosmischer Strahlung und gewöhnlicher Materie wie Wasserstoff und Helium entstehen diese Kerne – allerdings mit anderen Energien, als es bei der Wechselwirkung Dunkler-Materie-Teilchen der Fall sein müsste.

Bei beiden Prozessen haben die Antiteilchen ihren Ursprung in den Tiefen der Galaxis, mehrere 10.000 Lichtjahre entfernt von uns. Nach ihrer Entstehung macht sich ein Teil von ihnen auf den Weg zu uns. Wie viele der Teilchen diese Reise unbeschadet überstehen und als Boten ihres Entstehungsprozesses in die Nähe der Erde gelangen, wird über die Durchlässigkeit oder Transparenz der Milchstraße für Antihelium-Kerne bestimmt. Bislang konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diesen Wert nur grob abschätzen. Eine bessere Eingrenzung der Transparenz, ein Maß für die Anzahl und Energien von Antikernen, ist allerdings wichtig für die Interpretation zukünftiger Antihelium-Messungen.

Teilchenbeschleuniger LHC als Antimateriefabrik
Forschende der ALICE-Kollaboration führten nun Messungen durch, mit denen sie die Transparenz erstmals genauer festlegen konnten. ALICE steht für A Large Ion Collider Experiment und ist eines der größten Experimente der Welt, um die Physik auf den kleinsten Längenskalen zu erforschen. ALICE ist Teil des Large Hadron Colliders (LHC) am CERN.

Am LHC lassen sich große Mengen an leichten Antikernen wie Antihelium erzeugen. Zu diesem Zweck werden jeweils Protonen und Blei-Atome auf Kollisionskurs gebracht. Bei den Zusammenstößen entstehen Teilchenschauer, die der Detektor des ALICE-Experiments aufzeichnet. Dank mehrerer Teilsysteme des Detektors können die Forschenden dann die entstandenen Antihelium-3-Kerne nachweisen und ihre Spur im Detektormaterial verfolgen. So lässt sich quantifizieren, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Antihelium-3-Kern mit dem Detektormaterial wechselwirkt und verschwindet. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen der TUM und des Exzellenzclusters ORIGINS haben maßgeblich zur Analyse der experimentellen Daten beigetragen.

Galaxis durchlässig für Antikerne
Mithilfe von Simulationen konnten die Forschenden die Ergebnisse aus dem ALICE-Experiment auf die gesamte Galaxis übertragen. Das Resultat: Etwa die Hälfte der Antihelium-3-Kerne, die bei der Wechselwirkung von Teilchen der Dunklen Materie entstehen soll, würde die erdnahe Umgebung erreichen. Unsere Milchstraße ist somit zu 50 Prozent durchlässig für diese Antikerne. Für Antikerne, die durch Kollisionen von kosmischer Strahlung mit dem interstellaren Medium entstehen, variiert die erhaltene Transparenz von 25 bis 90 Prozent mit zunehmendem Antihelium-3-Impuls. Diese Antikerne lassen sich jedoch von jenen, die aus Dunkler Materie entstehen, aufgrund ihrer höheren Energie unterscheiden.

„Dies ist ein hervorragendes Beispiel für eine interdisziplinäre Analyse, die zeigt, wie Messungen an Beschleunigern direkt mit der Untersuchung der kosmischen Strahlung im Weltraum verbunden werden können“, sagt ORIGINS Wissenschaftlerin Prof. Laura Fabbietti von der TUM School of Natural Sciences. Die Ergebnisse vom ALICE Experiment am LHC sind von großer Bedeutung für die Suche nach Antimaterie im Weltraum mit dem AMS-02 Modul (Alpha Magnetic Spectrometer) auf der internationalen Raumstation ISS. Ab 2025 wird dann das GAPS-Ballonexperiment über der Arktis die ankommende kosmische Strahlung auf Antihelium-3 untersuchen.

Weitere Informationen:
An den Arbeiten zur Antihelium-3-Wechselwirkung unter der Leitung von Prof. Dr. Laura Fabbietti waren Arbeitsgruppen um Prof. Dr. Alejandro Ibarra an der TUM sowie Dr. Andrew Strong am Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik beteiligt. Die Forschung wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über den Exzellenzcluster ORIGINS, EXC 2094 – 390783311 und den Sonderforschungsbereich SFB1258 gefördert sowie vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).

Originalpublikation:
ALICE Collaboration: Measurement of anti-3He nuclei absorption in matter and impact on their propagation in the Galaxy, Nature Physics.
https://www.nature.com/articles/s41567-022-01804-8

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• Dunkle Materie

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Quelle: Technische Universität München 4. November 2022.

4. November 2022 – Das Universum ist voller Geheimnisse. Eines davon sind aktive Galaxien, in deren Zentrum sich gigantische Schwarze Löcher befinden. „Wir wissen bis heute nicht genau, welche Prozesse sich dort abspielen“, erklärt Elisa Resconi, Professorin für Experimental Physics with Cosmic Particles an der TUM. Ihr Team ist der Auflösung dieses Rätsels jetzt einen großen Schritt nähergekommen: In der Spiralgalaxie NGC 1068 haben die Astrophysiker*innen eine Quelle hochenergetischer Neutrinos aufgespürt.

Mit Teleskopen, die Licht, Gamma- oder Röntgenstrahlen aus dem All auffangen, ist es sehr schwierig, die aktiven Zentren von Galaxien zu erforschen, weil Wolken aus kosmischem Staub und heißem Plasma die Strahlung absorbieren. Dem Inferno am Rande Schwarzer Löcher entkommen nur Neutrinos, die so gut wie keine Masse und auch keine elektrische Ladung haben. Sie durchdringen den Raum, ohne durch elektromagnetische Felder abgelenkt oder absorbiert zu werden. Deshalb sind sie auch so schwer zu detektieren.

Die größte Hürde bei der Neutrino-Astronomie war bisher die Trennung des sehr schwachen Signals von dem starken Hintergrundrauschen durch Teilcheneinschläge aus der Erdatmosphäre. Erst die langjährigen Messungen des IceCube Neutrino Observatory und neue statistische Methoden ermöglichten Resconi und ihrem Team genügend Neutrino-Ereignisse für ihre Entdeckung.

Detektivarbeit im ewigen Eis
Das IceCube-Teleskop, das sich im Eis der Antarktis befindet, detektiert seit 2011 Leuchtspuren einfallender Neutrinos. „Aus ihrer Energie und ihrem Einfallswinkel können wir rekonstruieren, woher sie kommen“, erklärt TUM-Wissenschaftler Dr. Theo Glauch. „Die statistische Auswertung zeigt eine hochsignifikante Häufung von Neutrino-Einschlägen aus der Richtung, in der sich die aktive Galaxie NGC 1068 befindet. Damit können wir mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit davon ausgehen, dass die hochenergetische Neutrino-Strahlung aus dieser Galaxie kommt.“

Die Spiralgalaxie, 47 Millionen Lichtjahre entfernt, wurde bereits im 18. Jahrhundert entdeckt. NGC 1068 – auch bekannt unter dem Namen Messier 77 – ist in Form und Größe unserer Galaxie ähnlich, hat aber ein leuchtend helles Zentrum, das heller strahlt als die gesamte Milchstraße, obwohl es nur in etwa so groß ist wie unser Sonnensystem. In diesem Zentrum befindet sich ein „aktiver Kern“: ein gigantisches Schwarzes Loch von etwa 100 Millionen Sonnenmassen, das große Mengen von Materie aufsaugt.

Doch wo und wie entstehen dort Neutrinos? „Wir haben ein klares Szenario“, antwortet Resconi. „Wir denken, dass die hochenergetischen Neutrinos das Ergebnis einer extremen Beschleunigung sind, die Materie in der Umgebung des Schwarzen Lochs erfährt und dadurch auf sehr hohe Energien beschleunigt wird. Aus Experimenten in Teilchenbeschleunigern wissen wir, dass hochenergetische Protonen Neutrinos erzeugen, wenn sie mit anderen Teilchen zusammenstoßen. Mit anderen Worten: Wir haben einen kosmischen Beschleuniger gefunden.“

Neutrino-Observatorien für eine neue Astronomie
NGC 1068 ist die statistisch signifikanteste Quelle hochenergetischer Neutrinos, die bisher entdeckt wurde. Um auch schwächere und weiter entfernte Neutrino-Quellen lokalisieren und erforschen zu können, seien mehr Daten erforderlich, betont Resconi. Die Forscherin hat unlängst eine internationale Initiative für den Bau eines mehrere Kubikkilometer großen Neutrino-Teleskops im nordöstlichen Pazifik gestartet, das Pacific Ocean Neutrino Experiment, P-ONE. Es soll zusammen mit dem geplanten IceCube-Observatorium der zweiten Generation – IceCube-Gen2 – die Daten für eine künftige Neutrino-Astronomie liefern.

Originalpublikation:
“Evidence for neutrino emission from the nearby active galaxy NGC 1068” The IceCube Collaboration: R. Abbasi et al.
DOI:10.1126/science.abg3395, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg3395.

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• Antarktis-Neutrinoteleskop „IceCube“

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Quelle: DLR 28. Juni 2022.

28. Juni 2022 – Wiederverwendbare Trägersysteme sind bei der Rückkehr zur Erdoberfläche hohen Belastungen und Temperaturen ausgesetzt. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) testete nun erfolgreich Bauteilstrukturen, Messmethoden und Auswertealgorithmen für die Wiedereintrittsphase mit dem Flugexperiment STORT (Schlüsseltechnologien für hochenergetische Rückkehrflüge von Trägerstufen). Am frühen Morgen des 26. Juni 2022 startete das dreistufige Raketenexperiment vom Startplatz Andøya Space im Norden Norwegens. Die Oberstufe erreichte auf dem Scheitelpunkt der Flugbahn in 38 Kilometern Höhe eine Fluggeschwindigkeit von rund 9.000 Kilometern pro Stunde, was einer Machzahl von über Acht entspricht. Anschließend fiel sie mehr als 350 Kilometer entfernt vom Startpunkt in den Atlantischen Ozean. Die umfangreichen Messdaten wurden während des Fluges an die Bodenstation übertragen.

„Um höhere Fluggeschwindigkeiten zu erreichen, haben wir erstmals eine DLR-Höhenforschungsrakete mit drei statt zwei Raketenstufen eingesetzt“, erklärt Dorian Hargarten vom DLR-Institut für Raumflugbetrieb und Astronautentraining. „Zusätzlich flog die dritte Stufe mit den verschiedenen wissenschaftlichen Nutzlasten eine besonders flache Flugbahn in 38 Kilometern Höhe bei Machzahlen bis acht. Hierbei wurden – analog zur Hitzeentwicklung beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre – verschiede Hochtemperaturexperimente bei den zu untersuchenden hohen Wärmelasten durchgeführt“, so Hargarten weiter.

Keramische Segmente und Vorflügel im Test
Entscheidend bei der Hitzeentwicklung in der Wiedereintrittsphase sind Materialien, die den hohen Thermallasten ausreichend widerstehen und diese abführen. Ebenso sind robuste Wärmesensoren essentiell, die die Temperaturentwicklung genau im Blick behalten. „Bei STORT besteht der Vorkörper der dritten Raketenstufe aus fünf keramischen Segmenten“, erklärt der Leiter des STORT-Projekts Prof. Ali Gülhan vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik. „Entlang der vier longitudinalen Linien haben wir den Vorkörper alle 90 Grad mit zahlreichen Wärmeflusssensoren, Thermoelementen und Drucksensoren ausgestattet und sind nun sehr gespannt auf die Datenauswertung.“

Für die Durchführung der Thermalmanagement-Experimente nutzten die Forscherinnen und Forscher an der Rakete drei feste Vorflügel (Canards) mit keramischen Außenschalen, die vom DLR-Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie entwickelt wurden. Während ein Canard aktiv gekühlt wurde, war der zweite Canard passiv gekühlt. Der dritte Referenz-Canard (ohne Kühlung) wurde zusätzlich für die Untersuchung der Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkung genutzt. Alle drei Canards zeigten im Flug unterschiedliche Strukturantworten bei gleicher Belastung durch die Hitze.

Ein modulares und verteiltes Datenerfassungssystem erlaubte die effiziente Aufzeichnung von Daten aus den unterschiedlichen Experimenten. Bereits im Vorgängerprojekt ATEK wurde zur Gewichtsreduktion der zylindrischen Nutzlastsegmente ein Standardmodul aus Aluminiumlegierungen durch ein Hybridmodul ersetzt, welches aus einer CFK-Struktur mit metallischen Flanschen besteht. Im STORT-Projekt testeten die Forschenden nun ein noch einmal deutlich leichteres und komplett aus CFK bestehenden Modul.

Neben dem DLR ist die TU München durch die Fertigung des CFK-Moduls am Flugexperiment STORT beteiligt. Ein weiterer internationaler Partner ist die Universität Arizona, die Simulationen für das Experiment ‚Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkung‘ auf dem Canard durchgeführt hat. Die Planung und Durchführung der Mission lag in der Verantwortung der Abteilung Mobile Raketenbasis (MORABA) des DLR-Instituts für Raumflugbetrieb und Astronautentraining. Der Vorkörper wurde vom DLR-Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie ausgelegt und gefertigt. Aerothermale Auslegung, aktives Thermalmanagement, Instrumentierung der Nutzlasten und deren modulare Datenerfassung hat das DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik eingebracht, welches gleichzeitig die Projektleitung innehat.

Über das Projekt STORT
Das jetzt erfolgreich durchgeführte Flugexperiment ist ein Element des STORT-Forschungsprojektes. Das Projekt ist Bestandteil des DLR Teilprogrammschwerpunktes ‚Wiederverwendbare Raumtransportsysteme‘. Es hat zum Ziel, ausgewählte Technologien und Methoden im Hinblick auf thermomechanische Analyse und Bewertung von Trägersystemen zu entwickeln. Dafür werden die Bauteilstrukturen, Messmethoden und Auswertealgorithmen, die in Grundlagenuntersuchungen entwickelt wurden, für ein Flugexperiment angepasst und schließlich mit dem Flug qualifiziert. Die Flugdaten liefern ergänzend zu den Bodenexperimenten Validierungsdaten für physikalische Modellierungen, numerische Simulationen sowie die Systemanalyse und ermöglichen dadurch eine zuverlässige Auslegung und Bewertung von zukünftigen Trägersystemen. Die weiteren im Projekt beteiligten Einrichtungen sind das DLR-Institut für Raumfahrtsysteme, das DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik sowie das DLR-Institut für Softwaretechnologie.

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• Höhenforschungsraketen

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Quelle: Excellence Cluster ORIGINS 22. Juni 2022.

22. Juni 2022 – Die Forschenden überwanden die experimentelle Herausforderung durch den Einsatz einer neuen Methode: Dabei wurden ein radioaktiver neutronenreicher ⁸He-Strahl und eine schnelle hochenergetische Reaktion mit einem Proton eingesetzt.

Das Experiment wurde an der Beschleunigeranlage für radioaktive Strahlen (RIBF) am RIKEN-Forschungszentrum in Japan durchgeführt. Beteiligt an der großen internationalen Kollaboration waren neben der Technischen Universität München (TUM) und des Exzellenzclusters ORIGINS auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der TU Darmstadt, des RIKEN Nishina Centers sowie des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt. Das Experiment lieferte ein zweifelfreies Signal für die erste Beobachtung des Tetra-Neutrons. Das Resultat wurde in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

Verwandtschaft im Universum
Die Bausteine von Atomkernen sind die Nukleonen, die in zwei Arten vorkommen, den neutralen Neutronen und den positiv geladenen Protonen – den beiden sogenannten Isospin-Zuständen des Nukleons. Gebundene Kerne, die ausschließlich aus Neutronen aufgebaut sind, wurden bisher noch nie eindeutig nachgewiesen. Die einzigen bekannten gebundenen Systeme, die fast ausschließlich aus Neutronen bestehen, sind die Neutronensterne. Dabei handelt es sich um Endstadien der Sternentwicklung mit einem typischen Durchmesser von etwa zehn Kilometer. Diese Sterne sind stabil (gebunden) durch die Gravitation, die zu einer sehr hohen Neutronendichte im Inneren der Sternleichen führt. Atomkerne wiederum sind durch die starke Wechselwirkung gebunden, mit Präferenz eine vergleichbare Zahl an Neutronen und Protonen zu binden – das ist bekannt von den stabilen Kernen, wie sie auf unserer Erde zu finden sind.

Die Erforschung von reinen Neutronen-Systemen ist aber von großer Bedeutung, da sich nur so experimentelle Erkenntnisse über die Wechselwirkung mehrerer Neutronen untereinander und damit über die nukleare Wechselwirkung gewinnen lassen. Die Erforschung der bisher hypothetischen Teilchen könnte zudem helfen, die Eigenschaften von Neutronensternen besser zu verstehen. Herauszufinden, ob solche Neutronen-Systeme als Resonanzzustände oder gar gebundene Kerne vorliegen, ist daher ein seit langem bestehendes Bestreben der Kernphysik. Das internationale Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hat dazu nun einen neuen Anlauf genommen und eine neue experimentelle Methode eingesetzt, die sich von allen bisherigen Versuchen unterscheidet.

Referenzwert für die Theorie
„Dieser experimentelle Durchbruch liefert einen Referenzwert für die Theorie zum Verständnis der Wechselwirkungen von Isospin-reinen Nukleonen-Verbünden und damit auch der Eigenschaften neutronenreicher Kerne. Die nukleare Wechselwirkung zwischen mehr als zwei Neutronen konnte bisher nicht experimentell geprüft werden, während theoretische Vorhersagen zu sehr verschiedenen Ergebnissen führen“, berichtet Dr. Meytal Duer vom Institut für Kernphysik der TU Darmstadt.

Die experimentelle Untersuchung von reinen Neutronen-Systemen stellt eine große Herausforderung dar, da es keine Möglichkeit gibt ein Neutronen-Target herzustellen. Um nun ein Multi-Neutronen-System in einem Volumen zu erzeugen, so dass die Neutronen untereinander über die kurzreichweitige Kernkraft (wenige Femtometer, 10^-15 Meter) in Wechselwirkung treten können, müssen Reaktionen eingesetzt werden. Dabei besteht die Gefahr, dass die Neutronen mit anderen Teilchen, die an der Reaktion beteiligt sind, im Endzustand wechselwirken, was wiederum das eigentliche Signal verändert oder unsichtbar macht. Die Forschenden haben diese Schwierigkeit durch den Einsatz eines hochenergetischen ⁸He-Strahls gelöst. Der 8He-Kern besteht aus einem kompakten Alpha-Teilchen, das von vier Neutronen umgeben wird. Das Alpha-Teilchen wird nun in einer schnellen Reaktion mit großem Impulsübertrag durch Stoß mit einem Proton des Flüssigwasserstoff-Targets aus dem ⁸He-Kern herausgeschossen: Die verbleibenden vier Neutronen sind plötzlich frei und alleine und können untereinander wechselwirken.

Eine geniale Idee
„Nur eine optimale Verbindung unterschiedlicher Faktoren haben die erfolgreiche Entdeckung des Tetra-Neutrons möglich gemacht. Da ist die geniale Idee genau die richtige Reaktion zu wählen, die weltweit leistungsfähigste Anlage für leichte exotische Strahlen, ein Experimentaufbau der genau für diese Reaktion entwickelt und optimiert wurde, und nicht zuletzt ein Team aus begeisterten Wissenschaftlern die sich zu 100 Prozent mit der Aufgabe identifizieren“, führt ORIGINS PI Dr. Roman Gernhäuser des Zentralen Technologielabors am Physik Department der TUM aus.

Die Arbeit zur Entdeckung des Tetra-Neutrons wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über den Sonderforschungsbereich 1245 und dem Exzellenzcluster ORIGINS, EXC-2094 – 390783311 gefördert.

Publikation
M. Duer, T. Aumann, R. Gernhäuser et al.: „Observation of a four-neutron resonance“, Nature (2022), doi.org/10.1038/s41586-022-04827-6.
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04827-6

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Universität Potsdam.

29. April 2022 – Der Klimawandel beeinflusst den Charakter und die Stabilität von Ökosystemen weltweit. In der Theorie kann die Resilienz von Ökosystemen – also die Fähigkeit, äußerem Stress wie Dürren oder Waldbränden zu widerstehen und sich davon zu erholen – aus deren natürlicher Variabilität abgeleitet werden. In ihrer Pilotstudie zur Überwachung von Satellitenbildern aus der Zeit von 1992 bis 2017 zeigen die Forschenden, dass dies tatsächlich möglich ist – und zwar unabhängig vom Vegetationstyp und von der Klimazone.

„Neue Herangehensweisen zur Verarbeitung großer Datensätze ermöglichen es, verbreitete Theorien und Annahmen zur Funktionsweise von Ökosystemen zu prüfen“, sagt der leitende Autor der Studie, Taylor Smith. „Unsere Arbeit bestätigt empirisch eine dieser Theorien. Wir können mit einem einfachen mathematischen Modell messen, wie widerstandsfähig die Vegetation auf äußeren Druck reagiert.“ Co-Autor Prof. Dr. Niklas Boers (TUM/PIK) ergänzt: „Unsere Methode ermöglicht es uns, Veränderungen der Vegetationsresilienz an jedem beliebigen Ort der Erdoberfläche kontinuierlich zu messen. Wir bieten damit einen soliden, empirisch bestätigten Rahmen für die Überwachung der Vegetationsresilienz aus dem Weltraum.“

Die Arbeit zeigt weiterhin, dass die globale Vegetation seit den frühen 2000er Jahren an Resilienz verloren hat. Die Vegetation benötigt nach Störungen eine längere Zeit, um ihr natürliches Gleichgewicht wiederherzustellen. „Je nach Klimazone und Vegetationstyp stellen wir sehr unterschiedliche langfristige Trends bei der Widerstandsfähigkeit fest, aber insgesamt ist die Resilienz in den letzten zwei Jahrzehnten häufiger zurückgegangen“, sagt Taylor Smith. Insbesondere tropische Regenwälder und die borealen Wälder Sibiriens sind anfälliger für Ereignisse wie Waldbrände, Schädlingsbefall und Naturkatastrophen geworden. Zu den möglichen Faktoren, die zu dieser Verschiebung beitragen könnten, gehören natürliche langfristige Schwankungen, der vom Menschen verursachte Klimawandel, die zunehmende Landnutzung und die Entwaldung sowie eine größere Häufigkeit von Dürren und Waldbränden.

„Wir müssen dringend unsere Bemühungen verstärken, mögliche Veränderungen in der Widerstandsfähigkeit der Vegetation zu erkennen und die zugrundeliegenden Faktoren zu verstehen. Wir gehen davon aus, dass die vom Menschen verursachte globale Erwärmung und die veränderte Landnutzung eine wichtige Rolle spielen werden, aber viele Prozesse sind noch nicht gut verstanden, sodass es schwierig ist, das Schicksal der natürlichen Vegetation in den kommenden Jahrzehnten vorherzusagen“, warnt Niklas Boers. „Satellitendaten können hier eine entscheidende Rolle bei der kontinuierlichen Überwachung des Zustands der Vegetation und von Ökosystemen spielen“, fasst Taylor Smith zusammen.

Publikation:
Smith, T., Traxl, D. & Boers, N.: Empirical evidence for recent global shifts in vegetation resilience, Nat. Clim. Chang. (2022): https://www.nature.com/articles/s41558-022-01352-2
pdf: https://www.nature.com/articles/s41558-022-01352-2.pdf

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• Planet Erde

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Quelle: Technische Universität München.

8. März 2022 – Bei etwa drei Vierteln des Waldes hat die Fähigkeit, sich von Störungen zu erholen, laut der Studie seit Anfang der 2000er Jahre abgenommen. Dies sehen die Wissenschaftler als Warnsignal. Die neuen Erkenntnisse beruhen auf einer neuartigen statistischen Analyse von Satellitendaten zu Veränderungen der Biomasse und Produktivität im Amazonaswald.

„Eine verringerte Resilienz – die Fähigkeit, sich von Störungen wie Dürren oder Bränden zu erholen – kann ein erhöhtes Risiko für das Absterben des Amazonas-Regenwaldes bedeuten. Dass wir in den Beobachtungen einen solchen Resilienzverlust feststellen, ist besorgniserregend“, sagt Niklas Boers, Professor für Earth System Modelling an der Technischen Universität München und Forscher am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung, der die Studie gemeinsam mit Wissenschaftlern der britischen Universität Exeter durchgeführt hat. „Der Amazonas-Regenwald beherbergt eine einzigartige Artenvielfalt, er beeinflusst durch seine enorme Evapotranspiration stark die Niederschläge in ganz Südamerika; und er speichert riesige Mengen an Kohlenstoff, die bei einem auch nur teilweisen Absterben als Treibhausgase freigesetzt würden, was wiederum zur weiteren Erderwärmung beitragen würde. Deshalb ist der Regenwald von globaler Bedeutung.“

„Wenn das Kippen selbst zu beobachten sein wird, wäre es zu spät“
Der Amazonas gilt als potenzielles Kippelement im Erdsystem und eine Reihe von Studien hat seine Verwundbarkeit aufgezeigt. „Computersimulationen zu seiner Zukunft liefern jedoch eine gewisse Bandbreite von Ergebnissen“, sagt Boers. „Darum haben wir spezifische Beobachtungsdaten auf Anzeichen für Veränderungen der Widerstandsfähigkeit während der letzten Jahrzehnte untersucht. Wir stellen fest, dass die Widerstandsfähigkeit des Regenwalds seit Anfang der 2000er Jahre kontinuierlich abnimmt, aber wir können nicht sagen, wann ein möglicher Übergang vom Regenwald zur Savanne stattfinden könnte. Wenn er dann zu beobachten ist, wäre es wahrscheinlich zu spät, ihn aufzuhalten“. Die Forschung ist Teil des Projekts „Tipping Points in the Earth System“ (TiPES), das durch das Horizon 2020-Programm der Europäischen Union finanziert wird.

Das Team verwendete Stabilitätsindikatoren, die zuvor bereits auf den grönländischen Eisschild und die atlantische Umwälzbewegung angewandt wurden. Diese statistischen Indikatoren zielen darauf ab, die Annäherung eines Systems an eine abrupte Veränderung vorherzusagen, indem sie eine kritische Verlangsamung der Systemdynamik identifizieren, zum Beispiel seine Reaktion auf Wetterschwankungen. Die Analyse von zwei Satellitendatensätzen, die die Biomasse und den Grünanteil des Waldes darstellen, hat diese kritische Verlangsamung aufgezeigt. Diese kritische Verlangsamung kann als eine Schwächung der Rückstellkräfte angesehen werden, die das System normalerweise nach Störungen wieder ins Gleichgewicht bringen.

„Ein System mag stabil erscheinen, wenn man nur seinen mittleren Zustand betrachtet“
„Ein System mag zwar stabil erscheinen, wenn man nur seinen Mittelwert betrachtet, doch wenn man sich die Daten mit innovativen statistischen Methoden genauer ansieht, kann man einen Verlust an Resilienz feststellen“, sagt Chris Boulton vom Global Systems Institute der Universität Exeter. „Frühere Studien, die sich auf Computersimulationen stützten, deuteten darauf hin, dass große Teile des Amazonasgebiets bereits zum Absterben verdammt sein könnten, bevor eine starke Veränderung des mittleren Zustands sichtbar wird. Unsere Beobachtungsanalyse zeigt nun, dass die Destabilisierung in vielen Gebieten tatsächlich bereits im Gange zu sein scheint.“

Um die Ursachen für den Verlust der Widerstandsfähigkeit zu ermitteln, den die Wissenschaftler in den Daten finden, untersuchten sie die Beziehung zu den Niederschlägen im Amazonasgebiet, die in drei „einmal in einem Jahrhundert“ auftretenden, verheerenden Dürreereignissen in der Region gipfelten. Es stellte sich heraus, dass trockenere Gebiete stärker gefährdet sind als feuchtere. „Dies ist alarmierend, da die IPCC-Modelle eine allgemeine Austrocknung des Amazonasgebiets als Reaktion auf die vom Menschen verursachte globale Erwärmung vorhersagen“, so Boers. Ein weiterer Faktor ist die Entfernung eines Gebiets zu Straßen und Siedlungen, von denen aus Menschen den Wald erreichen können. Die Daten bestätigen, dass Gebiete in der Nähe von menschlicher Landnutzung stärker bedroht sind.

„Unsere neuartige Analyse empirischer Daten liefert zusätzliche Beweise für die Besorgnis über die Widerstandsfähigkeit des Waldes, insbesondere in naher Zukunft“, sagt Tim Lenton, Direktor des Global Systems Institute. „Sie bestätigt, dass eine starke Begrenzung der Abholzung, aber auch eine Begrenzung der globalen Treibhausgasemissionen notwendig ist, um den Amazonas zu schützen.“

Publikation:
Chris A. Boulton, Timothy M. Lenton, Niklas Boers (2022): Pronounced loss of Amazon rainforest resilience since the early 2000s. Nature Climate Change
https://www.nature.com/articles/s41558-022-01287-8

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• Klimawandel

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Quelle: Technische Universität München.

3. März 2022, Stefanie Reiffert, Technische Universität München. Seit Beginn des Weltraumzeitalters 1957 wurden laut der europäischen Weltraumorganisation ESA bereits 6100 Raketen ins All geschossen, diese brachten unter anderem 12.020 Satelliten in die Erdumlaufbahn. Mit der Zeit hat sich dadurch auch eine ungeheure Menge an Schrott im All angesammelt.
„Das sind einmal die alten Satelliten selbst, die nicht mehr funktionsfähig sind“, erklärt Christoph Bamann, der an der TUM Luft- und Raumfahrt studierte. „Oder Teile von Raketen, die so groß sein können wie ein Bus.“ Aber auch kleinere Gegenstände fliegen durchs All. So werden etwa sogenannte Jojo-Gewichte, die sich an Raketen befinden, gezielt weggesprengt, um die Drehung der Rakete zu verlangsamen. Kleinere Schrottteile entstehen aber auch durch Kollisionen oder Explosionen.

Auch kleinste Teilchen sind gefährlich
Die Schrott-Teile gefährden vor allem die funktionsfähigen Satelliten. Denn die Teilchen erreichen Relativgeschwindigkeiten von 10 Kilometern pro Sekunde. „Das bedeutet, auch wenn die Teilchen noch so klein sind, können sie bei einer Kollision eine Wucht haben wie ein Auto mit einer Geschwindigkeit von 100 Stundenkilometern“, so Bamann. Getroffene Satelliten werden zerstört. Gemeinsam mit Luisa Buinhas und Stefan Frey hat Bamann im August 2020 das Start-up Vyoma gegründet. Ihr Ziel: ein europäisches Warnsystem zu etablieren, um den Betreibern zu helfen, ihre Satelliten aus der Gefahrenzone zu navigieren.

„Wir beobachten den Satellitenschrott und berechnen dann voraus, wohin dieser fliegen wird“, erklärt Stefan Frey. Dazu will das Team eigene Satelliten nutzen, die mit optischen Kameras Bilder der Schrottteile aufnehmen. „Wir haben dann eine Sequenz von Bildern, die wir mit Informationen von früheren Aufnahmen kombinieren, und so können wir dann die Umlaufbahn der Schrottteile bestimmen.“ Ist die Umlaufbahn bekannt, kann auch die Geschwindigkeit der Teile bestimmt werden. „Da die Kräfte im erdnahen Weltraum bekannt sind, können wir auch abschätzen, wohin sie fliegen“, so Frey.

Das Problem wird immer größer
Zehn Satelliten in einer bestimmten Konfiguration ermöglichen eine permanente Beobachtung der Objekte im Weltraum. „Wir sehen so 90 Prozent aller gefährlicher Objekte mindestens ein bis zweimal pro Tag“, sagt Frey. Diese spezielle Ausrichtung der Satelliten sowie die Software, um aus den Bildern die Flugbahn der Objekte zu errechnen, haben die Gründerin und Gründer selbst entwickelt.

Neu ist die Idee zur Entwicklung eines kommerziellen Warnsystems vor Weltraumschrott natürlich nicht, erklärt Frey. Doch bisher war es für kleinere Unternehmen nicht finanzierbar. „Die Satelliten werden immer kleiner und die Kosten, einen Satelliten in die Umlaufbahn zu bringen sind gesunken“, erklärt Frey. „Deswegen ist es jetzt einfach erschwinglich geworden.“ Zeitgleich mit den Möglichkeiten wächst auch das Problem: Bereits jetzt müssen die Satellitenbetreiber pro Jahr und Satelliten mindestens ein Ausweichmanöver ausführen.

Erdbasierte Beobachtung
Auch jetzt werden Satellitenbetreiber bereits vor Kollisionen gewarnt. Ein Netzwerk von erdbasierten Radaranlagen und Teleskopen, die von den USA betrieben werden, katalogisieren Objekte mit einem Durchmesser von über zehn Zentimetern. Mit dem Unternehmen Vyoma möchten die Forscherinnen und Forscher ein weltallbasiertes Netzwerk aufbauen, das noch genauer ist und auch kleinere Teilchen erkennen kann. „Europa hat außerdem ein großes Interesse daran, in diesem Bereich eine gewisse Unabhängigkeit zu erlangen“, sagt Frey.

Aktuell arbeiten die Gründer an einer Plattform, die ein Netzwerk von erdbasierten Sensorstationen in Europa nutzt, um Daten zu erheben. Damit wollen sie Satellitenbetreibern verschiedene Dienstleistungen anbieten: Einmal können bestimmte Objekte, die dem Satelliten gefährlich werden können, genauer beobachtet werden. Aber auch der Satellit selbst kann, wenn etwa die Kommunikation gestört ist, lokalisiert werden. In etwa zwei Jahren will das Unternehmen seine eigenen Satelliten launchen.

Förderung durch die TUM
Das Start-up wurde durch die TUM Gründungsberatung unterstützt. Das Team erhielt außerdem die EXIST-Gründerförderung finanziert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie sowie den Europäischen Sozialfond. Das Team nutzte vor der offiziellen Gründung des Starts-ups die Büros im TUM Incubator. Mentor Prof. Urs Hugentobler von der Professur für Satellitengeodäsie stand den Gründern außerdem mit seinem Expertenwissen zur Seite. Vyoma nimmt am aktuellen Programm des XPRENEUR Inkubators von UnternehmerTUM teil.

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• Weltraummüll

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Quelle: Technische Universität München (TUM).

9. Dezember 2021 – Während sich die Kernphysik darüber einig ist, dass es im Universum keine Systeme gibt, die nur aus Protonen bestehen, suchen Physikerinnen und Physiker seit über 50 Jahren nach Teilchen, die aus zwei, drei oder vier Neutronen zusammengesetzt sind.

Würde ein solches Teilchen existieren, müssten Teile der Theorie der starken Wechselwirkung neu überdacht werden. Darüber hinaus könnte das eingehendere Studium dieser Teilchen helfen, die Eigenschaften von Neutronensternen besser zu verstehen.

„Die starke Wechselwirkung ist im wahrsten Sinne des Wortes die Kraft, die die Welt im Innersten zusammenhält. Schwerere Atome als Wasserstoff, wären ohne sie undenkbar“, sagt Dr. Thomas Faestermann, unter dessen Leitung die Versuche stattfanden.

Alles deutet nun darauf hin, dass in einem der letzten Experimente am inzwischen stillgelegten Tandem-Van-de-Graaff-Beschleuniger auf dem Forschungscampus Garching genau solche Teilchen entstanden sind.

Die lange Suche nach dem Tetra-Neutron
Schon vor 20 Jahren publizierte eine französische Arbeitsgruppe Messwerte, die sie als die Signatur der gesuchten Tetra-Neutronen interpretierten. Spätere Arbeiten einer anderen Gruppe zeigten jedoch, dass die angewandte Methodik die Existenz eines Tetra-Neutrons nicht beweisen kann.

2016 versuchte eine Gruppe in Japan Tetra-Neutronen aus Helium-4 zu erzeugen, indem sie es mit einem Strahl aus radioaktiven Helium-8-Teilchen beschossen. Bei dieser Reaktion sollte Beryllium-8 entstehen. Tatsächlich konnten sie vier solcher Atome nachweisen. Aus ihren Messergebnissen folgerten sie, dass das Tetra-Neutron ungebunden sei und schnell wieder in vier Neutronen zerfalle.

Faestermann und sein Team beschossen bei ihren Versuchen ein Lithium-7-Target mit auf etwa zwölf Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigten Lithium-7-Teilchen. Hierbei sollte neben dem Tetra-Neutron Kohlenstoff-10 entstehen. Und in der Tat gelang es den Physikern, diese Spezies nachzuweisen. Eine Wiederholung bestätigte das Ergebnis.

Der Indizienbeweis
Die Messergebnisse des Teams entsprachen der Signatur, die ein Kohlenstoff-10 im ersten angeregten Zustand und ein Tetra-Neutron mit einer Bindungsenergie von 0,42 Megaelektronenvolt (MeV) zeigen würden. Den Messungen zufolge wäre das Tetra-Neutron ungefähr so stabil wie das Neutron selbst. Danach würde es mit einer Halbwertszeit von 450 Sekunden durch Beta-Zerfall zerfallen. „Dies ist für uns die einzige physikalisch in allen Punkten plausible Erklärung der gemessenen Werte“, erläutert Dr. Thomas Faestermann.

Mit seinen Messungen erreicht das Team eine Sicherheit von deutlich über 99,7 Prozent oder 3 sigma. Doch damit ein Teilchen in der Physik als sicher existent gelten darf, wird eine Sicherheit von 5 sigma verlangt. Gespannt warten die Forscher daher nun auf eine unabhängige Bestätigung.

Publikation:
Indications for a bound tetraneutron
Thomas Faestermann, Andreas Bergmaier, Roman Gernhäuser, Dominik Koll, Mahmoud Mahgoub
Physics Letters B 824 (2022) 136799 – DOI: 10.1016/j.physletb.2021.136799

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• Teilchenumwandlung

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