Universität Bayreuth – Raumfahrer.net

Uni Bayreuth: KI-Nutzung in der Astrophysik

Raumfahrer.net Redaktion — Mon, 05 Feb 2024 21:40:00 +0000

Bayreuther Wissenschaftler erforschen die Struktur und das Langzeitverhalten von Galaxien mithilfe mathematischer Modelle, basierend auf Einsteins Relativitätstheorie. Ihr innovativer Ansatz nutzt ein tiefes neuronales Netz zur schnellen Vorhersage der Stabilität von Galaxie-Modellen. Dieses auf künstlicher Intelligenz basierende Verfahren ermöglicht eine effiziente Verifizierung oder Falsifizierung astrophysikalischer Hypothesen in Sekunden. Eine Pressemitteilung der Universität Bayreuth.

Quelle: Universität Bayreuth 5. Februar 2024.

Dr. Sebastian Wolfschmidt (hinten) und Christopher Staub arbeiten gemeinsam an der Berechnung des Langzeitverhaltens von Galaxien. (Foto: Lisa Krügel/Universität Bayreuth)

5. Februar 2024 – Das Forschungsziel von Dr. Sebastian Wolfschmidt und Christopher Straub ist die Untersuchung der Struktur und des Langzeitverhaltens von Galaxien. „Da diese nicht vollständig durch astronomische Beobachtungen analysiert werden können, nutzen wir mathematische Modelle von Galaxien“, erklärt Christopher Straub, Doktorand am Lehrstuhl Mathematik VI an der Universität Bayreuth. „Um dabei zu berücksichtigen, dass die meisten Galaxien ein schwarzes Loch im Zentrum beinhalten, beruhen unsere Modelle auf Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, welche Gravitation als Krümmung einer vierdimensionalen Raumzeit beschreibt.“

Mathematiker und Astrophysiker erforschen seit Jahrzehnten die Eigenschaften solcher Galaxie-Modelle, wobei viele Fragen noch immer offen sind. Als Hilfsmittel zur Klärung dieser Fragen haben Straub und Wolfschmidt ein tiefes neuronales Netz implementiert, was einen komplett neuartigen Ansatz in diesem Forschungsbereich darstellt. Neuronale Netzwerke sind leistungsstarke Rechenmodelle, deren Struktur von der des menschlichen Gehirns inspiriert ist. Sie werden im Bereich der künstlichen Intelligenz genutzt, um komplexe Strukturen in großen Datenmengen zu erkennen.

„Das neuronale Netz kann vorhersagen, welche Modelle von Galaxien in der Realität existieren können und welche nicht“, sagt Dr. Sebastian Wolfschmidt, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Mathematik VI. „Das neuronale Netz liefert dabei eine bedeutend schnellere Vorhersage als die in der Vergangenheit verwendeten numerischen Simulationen. So lassen sich astrophysikalische Hypothesen, die über die vergangenen Jahrzehnte aufgestellt wurden, innerhalb weniger Sekunden verifizieren oder falsifizieren.“

Ihre Erkenntnisse haben Wolfschmidt und Straub nun in der Fachzeitschrift „Classical and Quantum Gravity“ vorgestellt. „Wir befassen uns seit 2019 am Lehrstuhl Mathematik VI in der Arbeitsgruppe Prof. Dr. Gerhard Rein mit diesen Fragestellungen. Nach verschiedensten analytischen und numerischen Untersuchungen haben wir vor ungefähr einem Jahr erkannt, dass der Einsatz von maschinellem Lernen für einige unserer Probleme besonders hilfreich sein kann. Seitdem haben wir das beschriebene tiefe neurale Netz entwickelt, und haben auch bereits Pläne für weitere Einsatzmöglichkeiten ähnlicher Methoden“, sagt Straub.

Die Berechnungen der Bayreuther Mathematiker wurden vom Supercomputer des „Keylab HPC“ an der Universität Bayreuth durchgeführt und das Projekt entwickelte sich aus einer Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Angewandte Informatik II – Parallele und verteilte Systeme.

Veröffentlichung:
Straub, C., Wolfschmidt, S., Predicting the stability of star clusters in general relativity, Classical and Quantum Gravity (2024).
doi.org/10.1088/1361-6382/ad228a
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6382/ad228a
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6382/ad228a/pdf

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Galaxien – Entstehung und Entwicklung

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Universität Bayreuth untersucht Mondgestein der Apollo-Missionen 16 und 17

Raumfahrer.net Redaktion — Fri, 29 Sep 2023 20:29:00 +0000

Sie sind vor mehr als drei Milliarden Jahren auf dem Mond entstanden, gelangten vor rund 50 Jahren zur Erde und sind vor kurzem auf dem Campus der Universität Bayreuth eingetroffen: Mondgesteinsproben, die von den Apollo-Missionen 16 und 17 der NASA eingesammelt wurden. Eine Pressemitteilung der Universität Bayreuth.

Quelle: Universität Bayreuth 29. September 2023.

Polierte Anschliffe von Mondgesteinsproben der Apollo-Missionen 16 und 17 im Bayerischen Geoinstitut (BGI). (Foto: UBT / Chr. Wißler)

29. September 2023 – Die US-amerikanische Weltraumagentur hat die Proben dem Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth für wissenschaftliche Untersuchungen zur Verfügung gestellt.

Unter der Leitung von Prof. Dr. Audrey Bouvier, einer international renommierten Expertin für extraterrestrisches Gestein, werden die Proben in den kommenden Jahren mit massenspektrometrischen High-Tech-Verfahren auf ihre chemische Zusammensetzung hin analysiert. Für diese Untersuchungen verfügt das BGI nicht nur über neueste Forschungstechnologien, sondern auch über spezielle Reinräume, die gewährleisten, dass das Mondgestein nicht unter dem Einfluss von Staub oder Feuchtigkeit verändert wird. Bei den von der NASA gelieferten Gesteinsproben handelt es sich um kleine Gesteinsstücke und polierte Anschliffe von der Größe eines Daumenabdrucks. Sie sollen jetzt mit hoher räumlicher Auflösung im Detail analysiert werden. Die Astronauten von Apollo 16 und 17 haben einen großen Teil dieser Proben mit Hilfe des batteriegetriebenen Mondautos „Lunar Roving Vehicle“ eingesammelt, mit dem sie Exkursionen im Umkreis der Landestelle unternehmen konnten.

Ein Stück eines Meteoriten, der aus Impaktbrekzien-Gestein besteht und vor etwa 26.000 Jahren in der Wüste Sahara einschlug. (Foto: A. Bouvier)

Analysen von Mondgestein sind nicht nur aufschlussreich für die Entstehung des Mondes, sondern bieten ebenso Einblicke in die Entstehung und die Frühgeschichte der Erde, die durch eine hohe Einschlagsdichte von Asteroiden geprägt war. Frühere Untersuchungen haben bereits gezeigt, dass die Entstehung der Erde in ihrer heutigen Gestalt und die Entstehung ihres Trabanten aufgrund einer Kollision der Erde mit einem unbekannten Planeten eng miteinander verknüpft waren. Doch während alle Gesteine auf der Erdoberfläche infolge der Plattentektonik und unter dem Einfluss von Klima, Wetter und weiteren geologischen Prozessen ständigen Veränderungen unterworfen waren, blieb das Mondgestein weitgehend konserviert. Es ähnelt bis heute sehr stark dem Gestein, wie es sich vor mehr als drei Milliarden Jahren bei der Entstehung des Mondes herausgebildet hat.

Ran Zhao M.Sc. und Prof. Dr. Audrey Bouvier (v.l.) bereiten in einem Reinraumlabor des BGI Untersuchungen von extraterrestrischem Gestein vor. (Foto: UBT / Chr. Wißler)

„Die Untersuchung bestimmter Mondgesteine, so genannter Impaktbrekzien, ermöglicht uns eine Zeitreise in die Vergangenheit: Sie zeigen uns, wie die Erde einst aussah. Diese Gesteine enthalten Spuren des intensiven planetarischen Bombardements, das auf der Mondoberfläche und dementsprechend auch auf der Erde stattfand. Diese Erkenntnisse sind vor allem deshalb besonders interessant, weil sie Rückschlüsse auf chemische und physikalische Gegebenheiten erlauben, unter denen vor ungefähr 3,7 Milliarden Jahren das Leben auf der Erde entstand. Besonders wertvoll sind dabei Isotopenanalysen, die wir hier am BGI mit Forschungstechnologien durchführen können, die es zur Zeit der Apollo-Missionen noch gar nicht gab“, sagt Prof. Dr. Audrey Bouvier, Professorin für experimentelle Planetologie an der Universität Bayreuth.

Ran Zhao M.Sc., Doktorand am BGI, wirft einen ersten Blick auf das Mondgestein. (Foto: UBT / Chr. Wißler)

Dem von ihr geleiteten Forschungsteam am BGI gehört auch Ran Zhao M.Sc. an. Er hat an der Universität Bayreuth den Masterstudiengang „Experimental Geosciences“ absolviert und nimmt nun im Rahmen seiner Doktorarbeit an den Analysen der Gesteinsproben teil. Die Untersuchungen werden sich auch auf die Analysen von Mondgestein erstrecken, das in Form von Meteoriten auf der Erde eingeschlagen ist. Mondmeteoriten liefern Stichproben von Gestein an anderen Orten auf der Mondoberfläche. Ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften sind jedoch während ihres Eintritts in die Erdatmosphäre und infolge der Verwitterung auf der Erde in den letzten Zehntausenden von Jahren – bis zu ihrer Entdeckung in der Sahara-Wüste – stark verändert worden. Daher können sie nicht mehr als frisches Mondmaterial angesehen werden.

In Vorbereitung: Analysen des Gesteins eines Marsmonds
Prof. Dr. Audrey Bouvier wurde kürzlich von der Europäischen Weltraumorganisation ESA als europäisches Mitglied eines der „Science Strategy Teams“ ausgewählt, die an der bevorstehenden Raumfahrtmission zur Erforschung der Marsmonde unter japanischer Leitung beteiligt sind. Eine Raumsonde der japanischen Raumfahrtagentur JAXA wird im Herbst 2024 zum Mars starten, um die beiden Marsmonde Phobos und Deimos genau zu beobachten und mindestens zehn Gramm Regolith-Gestein von der Phobos-Oberfläche einzusammeln. Die Gesteinsproben sollen 2029 auf der Erde eintreffen, aber internationale Strategieteams bereiten sich schon jetzt auf die Gesteinsanalysen vor. Die JAXA wird einen Teil der Proben dem BGI zur Verfügung stellen. Das Team von Prof. Bouvier beschäftigt sich dabei vor allem mit der Frage, welche Erkenntnisse über die Entstehung des frühen Sonnensystems und der terrestrischen Planeten aufgrund der Analysen von Marsmondgestein gewonnen werden können.

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Apollo-Programm

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Damit in Kraftwerken und Raumfähren alles wie geschmiert läuft

Raumfahrer.net Redaktion — Thu, 14 Sep 2023 12:14:24 +0000

Neues Forschungsprojekt an der Universität Bayreuth. Eine Pressemitteilung der Universität Bayreuth.

Quelle: Universität Bayreuth 14. September 2023.

Modellstruktur von Molybdändisulfid. Ein Ångström ist der zehnmillionste Teil eines Millimeters. (Bild: UBT / LS für Konstruktionslehre und CAD)

14. September 2023 – In der Energietechnik und Raumfahrttechnik ist die Schmierung beweglicher Maschinenelemente eine besondere Herausforderung. Die üblichen Fette oder Öle haben hier den Nachteil, dass sie im Vakuum und bei hohen Temperaturen verdampfen, während sie bei sehr tiefen Temperaturen ihre Schmierwirkung einbüßen. Daher werden oftmals feste Schmierstoffe benötigt. Ein neues Projekt der Universität Bayreuth will auf diesem bisher wenig erforschten Gebiet einen grundlegenden Beitrag zur Optimierung leisten. Der Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD kooperiert dabei mit dem Institut für Werkstofftechnik an der Universität Kassel und dem Computer-Chemie-Centrum an der FAU Erlangen-Nürnberg.

Das von Prof. Dr.-Ing. Stephan Tremmel koordinierte Vorhaben ist mit dem Schwerpunktprogramm SPP 2074 „Fluidfreie Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) assoziiert. Es wird in den nächsten drei Jahren an den drei Standorten mit insgesamt rund 780.000 Euro gefördert. Auf die Universität Bayreuth entfallen dabei rund 343.000 Euro. In dem neuen Projekt geht es speziell um Wälzlager: Dies sind Lager, die einen Innen- und einen Außenring enthalten und beispielsweise der Stabilisierung von Achsen und Antriebswellen dienen. Rollende Körper zwischen den Ringen verringern dabei den Reibungswiderstand. Gewöhnlich werden zur Schmierung von Lagern Öle oder Fette verwendet, aber diese Art der Schmierung ist bei Wälzlagern unter extremen Bedingungen oftmals unvorteilhaft oder gar nicht möglich. Solche extremen Bedingungen herrschen insbesondere im Vakuum – beispielsweise in Anwendungen der Energietechnik oder Raumfahrttechnik. Unter diesen Bedingungen verdampfen flüssige Schmierstoffe, so dass die Schmierung versagt. Benötigt werden daher „trockene“ Schmiersysteme, die mit festen Stoffen arbeiten.

Verschleißspur auf einer mit Molybdändisulfid beschichteten Scheibe. 200 Mikrometer sind 0,2 Millimeter. (Bild: UBT / LS für Konstruktionslehre und CAD)

Das neue Projekt in Bayreuth, Erlangen und Kassel wird sich mit Molybdändisulfid (MoS₂) befassen, einem für Wälzlager unter extremen Bedingungen noch wenig erforschten festen Schmierstoff. „Im Vergleich zu anderen festen Schmierstoffen, die im Rahmen des SPP 2074 untersucht werden, zeichnet sich Molybdändisulfid dadurch aus, dass es nicht nur bei hohen Temperaturen bis zu mehreren hundert Grad Celsius seine Schmierwirkung behält, sondern insbesondere im Vakuum hervorragend funktioniert. Die Herstellung wie auch die Beschichtung von Oberflächen ist im industriellen Maßstab kostengünstig. In unserem Projekt wollen wir grundlegend neue Erkenntnisse zur optimalen Verwendung von Molybdändisulfid als Schmierstoff gewinnen. Auf dieser Basis wird es beispielsweise möglich sein, die Zuverlässigkeit von Kraftwerken oder Raumfahrzeugen zu erhöhen“, sagt Tremmel.

Im Fokus der geplanten Forschungsarbeiten steht die Entwicklung eines Modells, das in der Lage ist, die Gebrauchsdauer von MoS₂-geschmierten Wälzlagern mit einer bisher unerreichten Präzision vorherzusagen. Mit diesem Ziel werden Reibungs- und Verschleißvorgänge in verschiedenen Größenordnungen – von der Nano- über die Mikro- bis zur Makroskala – analysiert, wobei Experimente und Computersimulationen einander ergänzen. Diese skalenübergreifenden Materialanalysen werden ermöglicht durch den interdisziplinären Verbund der an den drei Projektstandorten angesiedelten Kompetenzen aus den Bereichen Maschinenbau, Materialwissenschaft und Theoretischer Chemie. Moderne Verfahren der Beschichtungstechnik, der Materialcharakterisierung und der Materialsimulation kommen dabei zum Einsatz. Das Projekt wird zu grundlegend neuen Einsichten in veränderte Materialstrukturen führen, die durch Reibung und Verschleiß verursacht werden. Daraus wiederum werden sich wichtige Hinweise für die Optimierung von Festschmierstoffschichten ableiten lassen, die extremen Bedingungen standhalten.

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Material / Werkstoff

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Universität Bayreuth: KinderUni-Vortrag zu Sonnenstürmen

Raumfahrer.net Redaktion — Sun, 25 Jun 2023 08:04:19 +0000

Nächster KinderUni-Vortrag zu Sonnenstürmen am 28. Juni 2023 um 17.15 Uhr im Audimax. Eine Information der Universität Bayreuth.

Quelle: Universität Bayreuth 23. Juni 2023.

Sonnensturm zielt Richtung Erde – künstlerische Darstellung. (Grafik: NASA)

Um „Von Funkverbindungen durch Sonnenstürme und geheimnisvolle Codes“ geht es bei der zweiten KinderUni-Vorlesung in diesem Jahr. Am Mittwoch, 28. Juni 2023, wird der Wirtschaftsmathematiker Prof. Dr. Sascha Kurz unter anderem die Frage beantworten, wie man einen Mars-Rover durch Sonnenstürme steuern kann oder wie geheimnisvolle Codes Fehler in Nachrichten erkennen.

Professor*innen der Universität Bayreuth haben für die KinderUni Vorträge speziell für Kinder zwischen 7 und 12 Jahren konzipiert, die alles andere als langweilig sind. Mit vielen Experimenten und Mitmachkomponenten bringen sie den Kindern wissenschaftliche Themen näher und vermitteln Wissen auf hohem Niveau. Sie wollen die Begeisterung der Kinder für wissenschaftliche Themen wecken – am 28. Juni beispielsweise für Wirtschaftsmathematik, das Fachgebiet von Prof. Dr. Sascha Kurz.

Eltern müssen bei der KinderUni draußen bleiben. Für sie gibt es ein nicht weniger interessantes Begleitprogramm. Ab 17.20 Uhr wird Prof. Dr. Stefan Schafföner, Keramische Werkstoffe, im Nachbargebäude Naturwissenschaften I, Hörsaal H 13, für Eltern einen Vortrag halten. Sein Thema: „Ein Knoten in der Keramik – geht diese nicht kaputt?“. Alternativ gibt es noch eine Elternführung. Prof. Dr. Hans Keppler wird durch die Hochdrucklabore des Bayerischen Geoinstituts führen. Seiner Führung hat er den Titel „Ein Blick ins tiefe Erdinnere“ gegeben.

Datum/Zeit/Ort:
Mittwoch, 28. Juni 2023, von 17.15 bis 18.00 Uhr.
Audimax, Universität Bayreuth

Weitere Infos und Programm:
https://www.uni-bayreuth.de/kinderuni

Anfahrt, Anmeldung und Eintritt:
Der Eintritt zur KinderUni ist frei, eine Anmeldung ist nicht erforderlich. Die Busfahrt zur KinderUni ist kostenlos. Als Fahrkarte gilt der Flyer der KinderUni.

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Terminvorschau auf Veranstaltungen

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KinderUni 2023 – Das Auswahlverfahren ist abgeschlossen – Bekanntgabe der „Gewinner*innen“

Raumfahrer.net Redaktion — Mon, 08 May 2023 10:44:08 +0000

Die Abstimmung des Auswahlverfahrens zur KinderUni 2023 an der Universität Bayreuth war wieder sehr spannend. Zehn Professor*innen hatten sich dem Verfahren gestellt und mit einem Foto und schlagkräftigem Titel für ihren Beitrag geworben. Eine Pressemitteilung der Universität Bayreuth.

Quelle: Universität Bayreuth 8. Mai 2023.

8. Mai 2023 – Die Kinder haben an die 3.000 Stimmen vergeben und ihre vier Wunschthemen ausgewählt: Diesmal wird es bei der KinderUni um Hexenkessel, Sonnenstürme, Sport ist Mord? und aufräumende Roboter gehen.

Die KinderUni richtet sich an Schüler*innen der 2. bis 6. Jahrgangsstufe aller Schularten. Start ist am 21. Juni 2023. An der Universität Bayreuth hat die KinderUni Tradition: Schon seit 2007 findet sie statt, stets mit actionreichen Vorträgen und einer großen Themenauswahl. Die KinderUni will die Neugierde von Kindern aufgreifen und ihnen Wissen auf hohem Niveau mit Freude vermitteln, die Begeisterung der Kinder für wissenschaftliche Fragestellungen wecken, einen neuen Bildungsort für Kinder in der Region erschließen und allen Kindern Zugang zu außerschulischer Bildung ermöglichen.

Datum/Zeit/Ort: 21. Juni, 28. Juni, 5. Juli, 12. Juli, 17.15 – 18.00 Uhr, Audimax, Campus der Uni Bayreuth. Der Eintritt ist frei, eine Anmeldung ist nicht erforderlich. Eltern müssen jedoch draußen bleiben, für sie gibt es ein attraktives Begleitprogramm.

Sonnensturm zielt Richtung Erde – künstlerische Darstellung. (Grafik: NASA)

Das sind die ausgewählten Vorträge der KinderUni 2023:

Termin: 21. Juni 2023, 17.15 Uhr
Kinder-Vortrag: Chemische Experimente aus dem kleinsten Hexenkessel der Welt
Prof. Dr. Anna Schenk, Physikalische Chemie
Mit spannenden Experimenten tauchen wir ein in die Welt von winzig kleinen Nano-Teilchen mit verrückten Eigenschaften. Zwar sind diese „Zwergen“-Teilchen für das menschliche Auge unsichtbar, doch begegnen sie uns im Alltag überall. Wir werden in unserem „Hexenkessel“ Nano-Teilchen selbst herstellen und Gold in allen Farben erstrahlen lassen. Außerdem wollen wir die winzigen Teilchen sichtbar machen und die geheimnisvollen Kräfte ergründen, die im Nano-Kosmos wirken.

Termin: 28. Juni 2023, 17.15 Uhr
Kinder-Vortrag: Von Funkverbindungen durch Sonnenstürme und geheimnisvollen Codes
Prof. Dr. Sascha Kurz, Wirtschaftsmathematik
Wie kann man einen Mars-Rover steuern, wenn Sonnenstürme die Funkverbindung stören? Wie können Astronauten über tausende Kilometer Entfernung mit der Erde sprechen? Warum kann man eine CD noch hören, auch wenn kleine Kratzer darauf sind? Was „liest“ der Scanner an der Supermarktkasse eigentlich? Ihr werdet sehen, wie geheimnisvolle Codes und ein bisschen Mathe helfen können, Fehler in Nachrichten zu erkennen bzw. sogar zu korrigieren.

Termin: 5. Juli 2023, 17.15 Uhr
Kinder-Vortrag: Sport ist Mord? Wie sich Bewegung auf deinen Körper auswirkt
Prof. Dr. Othmar Moser, Exercise Physiology and Metabolism
In diesem Vortrag werden wir besprechen, warum Menschen, die regelmäßig Sport machen, nicht früher sterben, sondern im Gegenteil, länger leben. Zugleich werden wir diskutieren, ob es bald eine Tablette geben kann, die den Sport ersetzen wird nach dem Motto: ich schaue fern und bewege mich nicht, nehme eine Tablette und mein Körper „glaubt“ Sport zu treiben.

Termin: 12. Juli 2023, 17.15 Uhr
Kinder-Vortrag: Nie wieder aufräumen! – Robbie macht´s
Prof. Dr. Nicola Bilstein, Marketing & Dienstleistungsmanagement
Sollte ein Roboter dein Zimmer aufräumen? Wie kannst du entscheiden, ob er das gut gemacht hat? Was passiert, wenn der Roboter einen Fehler macht? Wann ist Zimmeraufräumen eine Dienstleistung und warum bist du in deinem Alltag ständig von Dienstleistungen umgeben, zum Beispiel wenn du mit dem Bus zur Schule fährst, per Handy mit Freunden telefonierst, bei TikTok postest oder zum Arzt gehst?

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Terminvorschau auf Veranstaltungen

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Globale Studie der Universität Bayreuth zeigt Einflüsse des Klimawandels auf terrestrische Ökosysteme

Raumfahrer.net Redaktion — Mon, 06 Feb 2023 17:04:00 +0000

Langfristige Fernerkundungsdaten können Ökosystemforschung unterstützen und erheblich voranbringen. Eine Pressemitteilung der Universität Bayreuth.

Quelle: Universität Bayreuth 6. Februar 2023.

Vegetationsänderungen in Wildnisgebieten sind zuverlässige „Fingerabdrücke“ des Klimawandels. Die Studie aus Bayreuth zeigt, wie sich Ökosysteme in der Wildnis – wie hier im Kruger-Nationalpark in Südafrika – in den letzten Jahrzehnten verändert haben. (Foto: Cyrus Samimi)

6. Februar 2023 – Pflanzenökologen der Universität Bayreuth zeigen in „Nature Geoscience“, wie sich der globale Klimawandel auf terrestrische Ökosysteme auswirkt. Veränderungen in der Vegetationsaktivität konnten meist durch Veränderungen der Temperatur und der Bodenfeuchtigkeit erklärt werden. Änderungen der Sonneneinstrahlung und des CO₂-Gehalts in der Atmosphäre spielten selten eine dominante Rolle. In einigen Ökosystemen sind nach einer langjährigen Zunahme der Vegetationsaktivität Rückgänge zu beobachten. Diese Trendumkehr wirft die Frage auf, ob terrestrische Ökosysteme auch in Zukunft einen hohen Beitrag zur Bindung von atmosphärischem Kohlenstoff leisten werden.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Steven Higgins, Inhaber des Lehrstuhls für Pflanzenökologie an der Universität Bayreuth, hat weltweite Fernerkundungsdaten aus den letzten 40 Jahren mit einem neuartigen dynamischen Modell des Pflanzenwachstums analysiert. Das neue Modell beschreibt den Einfluss wichtiger Klimaparameter wie Lufttemperatur, Bodentemperatur, Bodenfeuchte, Sonneneinstrahlung und atmosphärischer CO₂-Gehalt auf das Pflanzenwachstum. Damit ist es jetzt erstmals gelungen, messbare Veränderungen in der Vegetation von terrestrischen Ökosystemen auf einzelne Klimafaktoren zurückzuführen.

„Untersuchungen, die kausale Beziehungen zwischen klimatischen Veränderungen und Vegetationsänderungen herstellen und dabei den Einfluss einzelner sich ändernder Klimaparameter – wie beispielsweise Temperatur und Niederschlag – identifizieren, stellen einen wichtigen Fortschritt in der Ökosystemforschung dar. Sie beweisen, dass der menschengemachte Klimawandel bereits jetzt die Ökosysteme der Erde verändert. Aufgrund der so gewonnenen Erkenntnisse können wir erheblich besser verstehen und einschätzen, wie sich die Ökosysteme der Erde infolge des Klimawandels entwickeln. Die auf diese Weise gewonnenen Erkenntnisse können eine wertvolle Unterstützung für umwelt- und klimapolitische Programme sein“, sagt Higgins. „Früher konnten wir zwar Veränderungen der Vegetationsaktivität feststellen, aber es war oftmals schwierig zu erkennen, ob es wirklich der Klimawandel war, der diese Veränderungen verursacht hat. Auch der jüngste Bericht des Weltklimarats IPCC enthält überraschend wenig Fallstudien, in denen beobachtete Vegetationsveränderungen mit hoher Sicherheit auf klimatische Veränderungen zurückgeführt werden konnten“, ergänzt Dr. Timo Conradi, Ko-Autor und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Pflanzenökologie.

Die neue Studie beruht auf Messdaten zu insgesamt 100 Untersuchungsflächen, die über alle Kontinente verteilt sind. In dieser Stichprobe ist jedes der wichtigsten Ökosysteme der Erde mit mindestens fünf Beispielen vertreten: tropische immergrüne Wälder, boreale Wälder, gemäßigte Wälder, Savannen, Buschland, Grasland, Tundra und mediterrane Ökosysteme. Die durch Satellitenbeobachtungen ermittelten Vegetationsveränderungen an diesen Standorten wurden daraufhin untersucht, inwieweit sie mit Veränderungen der Lufttemperatur, der Bodentemperatur, der Bodenfeuchte, der Sonneneinstrahlung und dem CO₂-Gehalt der Atmosphäre erklärt werden können. In ihrer Gesamtheit lassen diese Analysen einige globale Trends erkennen: Ökosysteme an trockenen und warmen Standorten, vor allem Savannen und manche Grasländer, reagierten in erster Linie auf Veränderungen der Bodenfeuchtigkeit. Hingegen waren Ökosysteme an kühleren Standorten, wie boreale Wälder, Wälder der gemäßigten Breiten und Tundren, besonders sensibel für Temperaturänderungen. Änderungen des CO₂-Gehalts der Atmosphäre und der Sonneneinstrahlung hatten überraschenderweise nur selten einen dominierenden Einfluss auf Vegetationsänderungen.

„Unsere Ergebnisse zeigen, wie langfristige Fernerkundungsdaten die Ökosystemforschung unterstützen und erheblich voranbringen können. Gerade auf diesem Gebiet wird eine enge internationale Zusammenarbeit weiterhin erforderlich sein, um den Einfluss von Klimafaktoren auf globaler Ebene zu identifizieren und zu verstehen, wie und warum sich Ökosysteme in verschiedenen Regionen der Welt verändern“, sagt Ko-Autor Edward Muhoko M. Sc. aus Namibia, der zurzeit am Lehrstuhl für Pflanzenökologie promoviert und sich auf Geoinformationssysteme, Fernerkundungsverfahren und Geostatistik spezialisiert hat.

Die Bayreuther Forscher fanden in unterschiedlichen Klimazonen der Erde deutliche Hinweise auf Trendumkehrungen. Anscheinend haben steigende Luft- und Bodentemperaturen an vielen Standorten zunächst jahrzehntelang die Vegetationsaktivität erhöht und eine aus dem Weltraum sichtbare „Begrünung“ bewirkt. Anhaltende Temperaturerhöhungen können jedoch irgendwann zu einer Austrocknung der Böden führen, was eine Verringerung der Vegetationsaktivität zur Folge hat. Neuere Satellitenaufnahmen lassen daher an einigen Standorten eine „Verbraunung“ von Ökosystemen erkennen. Feldforschungen in tropischen Wäldern, bei denen Veränderungen der Baumgröße gemessen wurden, haben in jüngster Zeit ebenfalls Belege für diese Entwicklung geliefert. „Falls diese Trendumkehr durch weitere Studien bestätigt wird, wäre das in der Tat besorgniserregend, denn in der Vergangenheit haben die terrestrischen Ökosysteme durch ihre jahrzehntelange ‚Begrünung‘ erhebliche Anteile der anthropogenen Kohlenstoffemissionen absorbiert. Bislang hat uns diese Kohlenstoffbindung durch die Vegetation vor einem noch dramatischeren Klimawandel bewahrt“, erklärt Higgins.

Originalpublikation:
Steven I. Higgins, Timo Conradi, Edward Muhoko: Shifts in vegetation activity of terrestrial ecosystems attributable to climate trends. Nature Geoscience (2023), DOI: doi.org/10.1038/s41561-022-01114-x,
https://www.nature.com/articles/s41561-022-01114-x.

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Klimawandel

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Neue Studie in „Science“: Kollisionen veränderten die chemische Zusammensetzung der Erde

Raumfahrer.net Redaktion — Fri, 07 Oct 2022 17:09:00 +0000

Wie die chemische Zusammensetzung der Erde zustande kam und wie diese Prozesse die Entstehung des Lebens beeinflusst haben, ist in vielerlei Hinsicht noch unklar. In einer neuen Studie, die in „Science“ veröffentlicht wurde, zeigt ein Forscherteam der Universität Bayreuth und der Universität Clermont-Auvergne, dass Kollisionen mit Planetesimalen eine bisher unterschätzte Rolle in der Frühphase der Erdentstehung gespielt haben. Eine Pressemitteilung der Universität Bayreuth.

Quelle: Universität Bayreuth 7. Oktober 2022.

Kollisionserosionen veränderten die chemische Zusammensetzung der Erde. (Grafik: Paul Frossard)

7. Oktober 2022 – Die Einschläge führten dazu, dass die noch junge Erde und andere Planetesimale zwischen vier und 20 Prozent ihrer Masse verloren. Sie trugen wesentlich zur heutigen chemischen Zusammensetzung der Erde bei.

Vor mehr als 4,56 Milliarden Jahren bildeten sich die ersten kleinen Planeten des Sonnensystems aus Staubwolken, die durch die Kondensation von Gasen entstanden. Diese Asteroiden verschmolzen später zu größeren festen Körpern, den so genannten Protoplaneten, die die Forscher auch als Planetesimale bezeichnen. Diese Planetesimale waren die Bausteine der Erde und anderer terrestrischer Planeten. Um mehr über die chemische Zusammensetzung dieser frühen Himmelskörper zu erfahren, untersuchte Prof. Dr. Audrey Bouvier vom Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth zusammen mit dem ehemaligen Cotutelle-Doktoranden Dr. Paul Frossard und Forschungspartnern in Clermont-Ferrand eine Reihe von chondritischen Meteoriten. Dabei handelt es sich um Gesteinsproben, die wahrscheinlich seit der Frühzeit des Sonnensystems unverändert geblieben sind. Diese Meteoriten ähneln in ihrer chemischen Zusammensetzung wahrscheinlich den frühen primitiven Asteroiden, aus denen sich Planetesimale und die junge Erde entwickelt haben. Die massenspektrometrischen Analysen konzentrierten sich insbesondere auf Neodym (Nd) und Samarium (Sm). Diese Elemente, die zu den Metallen der Seltenen Erden gehören, sind für die geochemische Forschung von besonderem Interesse: Das Isotop ¹⁴⁶Sm ist radioaktiv und zerfällt mit einer für geologische Zeiträume kurzen Halbwertszeit von 103 Millionen Jahren in das Isotop ¹⁴²Nd. Es ist daher in den letzten vier Milliarden Jahren im Sonnensystem verschwunden. Die Forscher bestimmten zunächst, wie der Anteil des Isotops ¹⁴²Nd an den Neodym-Atomen – kurz: die ¹⁴²Nd-Häufigkeit – in den Staubkomponenten verschiedener Chondrite variiert.

Der Meteorit Orgueil ist 1864 in Frankreich eingeschlagen und befindet sich heute im Nationalmuseum für Naturgeschichte in Paris. Hinsichtlich seiner chemischen Zusammensetzung ist er der Sonne ähnlich. (Bild: Wikipedia/Eunostos)

Die Ergebnisse der Chondriten-Analysen präzisieren einen rätselhaften Befund, der in der Forschung schon seit längerem diskutiert wird: Die ¹⁴²Nd-Häufigkeit im Erdinneren ist deutlich höher als in den Chondriten. In dieser Hinsicht stimmt die chemische Zusammensetzung der Erde nicht mit der chemischen Zusammensetzung primitiver Asteroiden überein, die sich durch Gravitationskräfte zu Planetesimalen – den Bausteinen der Erde – entwickelten. „Durch die Kombination der Ergebnisse unserer Messungen mit etablierten astrophysikalischen Modellen, die die Entstehung der chemischen Elemente in Sternen beschreiben, konnten wir nun eine plausible Erklärung für die unterschiedliche ¹⁴²Nd-Häufigkeit auf der Erde und in primitiven Asteroiden finden“, sagt Prof. Dr. Audrey Bouvier, Mitautorin der neuen Studie.

Ausgangspunkt der neuen Erklärung ist die Verteilung der chemischen Elemente in den frühen Planetesimalen, die sich aus primitiven Asteroiden gebildet haben. Es kam zu einer fortschreitenden Erhitzung und chemischen Differenzierung: Siderophile Elemente, die Eisen an sich binden, konzentrierten sich im Zentrum der Planetesimale, wodurch ein metallischer Kern entstand. Lithophile Elemente hingegen, die eine Affinität zu Silikaten haben, reicherten sich eher in den oberen Schichten – Mantel und Kruste – der Planetesimale an. Dieser Prozess führte zur Bildung von zwei verschiedenen Reservoiren, die sich in ihren Sm- und Nd-Anteilen unterschieden. Im Laufe der Zeit nahm die ¹⁴²Nd-Häufigkeit auf der Erde aufgrund des radioaktiven Zerfalls zu und wurde höher als die ¹⁴²Nd-Häufigkeit in den primitiven Asteroiden. Das Forscherteam in Bayreuth und Clermont-Ferrand schlägt auf der Grundlage seiner Messungen ein sehr klares Szenario vor: Das Planetesimal, das den Vorläufer der frühen Erde bildete, kollidierte im entstehenden Sonnensystem wiederholt mit anderen Planetesimalen. Dabei wurden immer wieder große Mengen an Material aus seiner Kruste herausgesprengt. Gemeinsam kommen die Autor*innen der neuen Studie zu dem Schluss, dass durch Kollisionen mit Planetesimalen etwa vier bis 20 Prozent der Masse der jungen Erde und anderer Planetesimale herausgesprengt wurden.

„Es ist sehr wahrscheinlich, dass auch andere Elemente von dem enormen kollisionsbedingten Materialverlust betroffen waren. Daher stellt sich erneut die Frage, welche Mengen an radioaktiven Elementen wie Uran, Kalium und Thorium heute im Erdinneren vorhanden sind und zu ihrem Wärmehaushalt und ihrer physikalischen Entwicklung beitragen. Darüber hinaus könnte die Annahme, dass Planetesimale in der frühen Phase ihrer Entstehung immer wieder miteinander kollidiert sind, auch aufschlussreich für die chemische Zusammensetzung weiterer Planeten sein – sei es innerhalb oder außerhalb des Sonnensystems“, sagt die Bayreuther Kosmochemikerin Prof. Dr. Audrey Bouvier.

Veröffentlichung:
Paul Frossard, Claudine Israel, Audrey Bouvier, Maud Boyet: Earth’s composition was modified by collisional erosion. Science Vol. 377, Issue 6614.
DOI: dx.doi.org/10.1126/science.abq7351
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7351
Die Studie enthält Forschungsergebnisse, die der Erstautor Dr. Paul Frossard im Rahmen seiner von den Universitäten Bayreuth und Clermont-Ferrand betreuten Doktorarbeit erzielt hat.

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Planetenentstehung

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Universität Bayreuth erhält neue Massenspektrometer zur Erforschung von Weltraumgestein

Raumfahrer.net Redaktion — Thu, 29 Sep 2022 07:14:19 +0000

Das Bayerische Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth verfügt seit heute über zwei neue Hochleistungs-Massenspektrometer für die Erforschung des Sonnensystems. Die Geräte ermöglichen spezielle Analysen von irdischen und extraterrestrischen Gesteinen, aber auch von Materialproben, die im Hochdruck-Experimentallabor des BGI künstlich synthetisiert wurden. Gesteinsproben vom Mond, vom Mars oder von Asteroiden werden künftig im BGI unter der Leitung von Prof. Dr. Audrey Bouvier auf ihre chemische und isotopische Zusammensetzung hin untersucht. Eine Pressemitteilung der Universität Bayreuth.

Quelle: Universität Bayreuth 28. September 2022.

Vorderansicht des neuen Massenspektrometers. (Foto: UBT / Chr. Wißler)

28. September 2022 – Wegen seines außergewöhnlichen Gewichts und seiner Größe musste eines der beiden Massenspektrometer mit einem Kran von außen in den zweiten Stock des BGI-Gebäudes gehievt werden. Hier wurden die beiden Geräte in einem Reinraumlabor für Kosmochemie installiert, das derzeit eingerichtet wird.

„Mit den beiden Massenspektrometern lässt sich die Zusammensetzung von Weltraumgestein sehr genau analysieren: Wir können bestimmen, welche chemischen Elemente in welcher Häufigkeit in einer Probe enthalten sind, und ebenso können wir in Bezug auf jedes dieser Elemente genau feststellen, welche Isotopenzusammensetzung sie in den untersuchten Materialien haben. Diese Erkenntnisse verraten uns etwas über die Herkunft und Entstehungsgeschichte der Materialien. Die Kompetenzen des BGI im Hinblick auf die Untersuchung extraterrestrischer Materialien werden auf diese Weise erheblich gestärkt. Ein Schwerpunkt unserer Forschung wird die Materialanalyse von Meteoriten sein, die auf der Erde eingeschlagen sind, sowie von Proben, die von Raumfahrtmissionen zurückgebracht wurden“, erklärt Prof. Dr. Audrey Bouvier, Kosmochemikerin am BGI. Sie wurde kürzlich von der National Aeronautics and Space Administration (NASA) und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) zum Mitglied der Mars Sample Return Campaign Science Group ernannt. Dieses Gremium legt unter anderem die wissenschaftlichen Ziele der laufenden Probensammlung auf dem Mars fest und entscheidet über die Aufbewahrung und Verteilung der Proben für wissenschaftliche Analysen.

Prof. Dr. Audrey Bouvier mit dem neuen Spektrometer „ThermoScientific Neoma MC-ICP-MS/MS“. (Foto: UBT / Chr. Wißler)

Eines der beiden neuen Spektrometer ist ein Plasmaquellen-Magnetsektor-Massenspektrometer mit der Bezeichnung „ThermoScientific Neoma MC-ICP-MS/MS“. Das BGI ist jetzt die erste Forschungseinrichtung in Deutschland, die über ein derartiges Spektrometer verfügt. Das Gerät ermöglicht es, die in Spurenmetallen enthaltenen Isotope und deren Häufigkeit mit bisher unerreichter Präzision zu messen. Es wird am BGI vor allem für Analysen von terrestrischen und extraterrestrischen Proben eingesetzt, kann aber auch für ökologische, archäologische und biologische Untersuchungen genutzt werden.

Das Massenspektrometer ist auf der Terrasse des BGI eingetroffen. (Foto: UBT / Chr. Wißler)

Das zweite Spektrometer ist ein Massenspektrometer namens „Thermo Scientific iCAP Triple-Quadrupol-ICP-MS“. Mit ihm lassen sich die Häufigkeiten von Spurenelementen in Lösungen oder Feststoffen genau bestimmen. Selbst wenn die Spurenelemente nur einen billionstel Teil einer Probe ausmachen, können sie gemessen werden.

Beide Massenspektrometer können in Verbindung mit einer so genannten „ESI-Laser-Excimer-Ablationsquelle“ eingesetzt werden, die ebenfalls am BGI vorhanden ist. Mit diesem Gerät lassen sich zum Beispiel winzige Partikel aus Mineralen abtrennen, die dann für die jeweiligen massenspektrometrischen Analysen zur Verfügung stehen. Werden alle drei Geräte kombiniert, kann die chemische und isotopische Zusammensetzung einer Probe gleichzeitig bestimmt werden.

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Meteoriten & Co – Boten aus dem Weltall.

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Universität Bayreuth: Neue Erkenntnisse zum Asteroiden Ryugu

Raumfahrer.net Redaktion — Sat, 11 Jun 2022 08:24:23 +0000

Universität Bayreuth an der Erforschung von Weltraumgestein beteiligt. Eine Pressemitteilung der Universität Bayreuth.

Quelle: Universität Bayreuth 10. Juni 2022.

Das Bayerische Geoinstitut (BGI) auf dem Campus der Universität Bayreuth. (Foto: UBT)

10. Juni 2022 – Ein internationales Forscherteam mit Prof. Dr. Audrey Bouvier, Kosmochemikerin am Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth, berichtet in „Science“ über mineralogische und chemische Analysen von Gesteinsproben des Asteroiden Ryugu. Die Raumsonde Hayabusa2 der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA hat 2019 Proben von dem Asteroiden, der einen Durchmesser von 0,9 Kilometern hat, gesammelt und in einer Kapsel zur Erde zurückgeschickt. Die Forschungsergebnisse werden zu neuen Erkenntnissen über die Entstehung des Sonnensystems und die chemische Zusammensetzung der terrestrischen Planeten beitragen. Unter Bouviers Leitung wird die Erforschung von Weltraumgestein am BGI weiter intensiviert. Neben Asteroiden werden hier in den kommenden Jahren auch Gesteinsproben von Mars und Mond untersucht.

Prof. Dr. Audrey Bouvier, Bayerisches Geoinstitut (BGI), Universität Bayreuth. (Foto: UBT / Chr. Wißler)

Prof. Dr. Audrey Bouvier ist Mitglied des internationalen Forschungsteams, das an den ersten, in Japan durchgeführten chemischen Analysen der Ryugu-Gesteinsproben beteiligt war. Im Gegensatz zu den zahlreichen Meteoriten, die auf der Erdoberfläche eingeschlagen sind, haben die vom Asteroiden entnommenen Proben einen entscheidenden Vorteil: Sie sind garantiert nicht durch den Eintritt in die Erdatmosphäre oder den Aufenthalt auf der Erde chemisch verändert worden. Sie sind so entstanden, wie sie sind: im Weltraum. Die von Hayabusa2 zur Erde gesandten Gesteinsproben hatten ein Gesamtgewicht von etwas mehr als 5,4 Gramm. „Als die Probenbehälter schließlich in Japan geöffnet wurden, war die Überraschung groß, denn es handelte sich um weitaus mehr Material, als wir ursprünglich erwartet hatten“, sagt Bouvier. „Die Proben in den Behältern sahen aus wie dunkle Kieselsteine. Die meisten waren nur wenige Millimeter groß, einige wenige waren größer – bis zu einem Zentimeter, was nahe an der maximalen Größe liegt, die man bei der Probeentnahme an der Asteroid-Oberfläche erhalten kann.“

Ryugu zeigt Spuren der Geschichte des Sonnensystems
Bei ihrer Untersuchung von Ryugu entdeckten die Forscher, dass die Mineralien in Kontakt mit einer wässrigen Flüssigkeit bei einer Temperatur von etwa 37 Grad Celsius verändert wurden, aber nie Temperaturen von über 100 Grad Celsius ausgesetzt waren. Chronologische Untersuchungen deuten darauf hin, dass diese Veränderungen etwa fünf Millionen Jahre nach der Entstehung der ersten Mineralien im Sonnensystem stattgefunden haben. Diese Veränderungen fanden in einem der unzähligen Kleinstplaneten (Planetesimale) statt, aus denen sich später die Planeten des Sonnensystems durch Akkretion entwickelten. Auf dem Planetesimal, aus dem Ryugu herausgesprengt wurde, könnte es reichlich Wasser gegeben haben, was eine wichtige Voraussetzung für die Entstehung von Leben gewesen wäre.

Ein weiteres auffälliges Merkmal ist die Häufigkeit der in den Gesteinsproben enthaltenen chemischen Elemente: Ryugu ähnelt den kohlenstoffhaltigen CI-Chondriten des Meteoriten Ivuna, aber besonders stark ist die Ähnlichkeit mit der Zusammensetzung der Photosphäre der Sonne. Die Photosphäre ist die äußere Hülle eines Sterns, von der Licht in den Weltraum abgestrahlt wird, so dass man daraus seine chemische Zusammensetzung ableiten kann.

Die Analysen der Ryugu-Proben deuten außerdem darauf hin, dass der Asteroid von einem Planetesimal abstammt, das sich am äußersten Rand des Sonnensystems gebildet hat. Später wanderte Ryugu in das Innere des Sonnensystems und gelangte auf seine heutige erdnahe Umlaufbahn um die Sonne. In der aktuellen Forschung wird vermutet, dass Materialien, die am äußersten Rand des Sonnensystems entstanden sind, zur Entstehung der Erde beigetragen haben könnten. Kohlenstoffhaltige Materialien könnten eine wichtige Quelle für die so genannten flüchtigen Elemente auf der Erde gewesen sein. Flüchtige Elemente wie Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff sind wesentliche Bestandteile der Erdatmosphäre und der Ozeane und haben daher einen entscheidenden Anteil an der Entstehung des Lebens.

Auf der Suche nach Leben im Weltraum: in Zukunft auch an der Universität Bayreuth
Wenige Tage vor der Veröffentlichung des neuen „Science“-Artikels gab ein anderes internationales Forscherteam bekannt, dass in Gesteinsproben von Ryugu 20 verschiedene Aminosäuren nachgewiesen wurden. Aminosäuren sind die Bausteine des Lebens auf der Erde. „Es ist das erste Mal, dass Aminosäuren entdeckt wurden, die eindeutig nicht auf der Erde entstanden sind oder verändert wurden. Auch vor diesem Hintergrund ist der Asteroid Ryugu ein spannendes Forschungsobjekt, das aufschlussreiche Erkenntnisse über den Ursprung des Lebens verspricht. Deshalb wollen wir uns an der Universität Bayreuth in Zukunft verstärkt in die Analyse von extraterrestrischen Gesteinsproben einbringen“, sagt Prof. Dr. Audrey Bouvier. Gemeinsam mit Dr. Nobuyoshi Miyajima, Mineraloge am Bayerischen Geoinstitut, wird sie bei der japanischen Raumfahrtbehörde beantragen, dass Ryugu-Proben für weitere mineralogische und chemische Analysen an das BGI ausgeliehen werden. Im September 2022 werden am BGI neue Labore für Isotopengeochemie und Kosmochemie eröffnet. Hier sollen hochpräzise Isotopenstudien von Spurenmetallen in Ryugu- und anderen Planetenproben durchgeführt werden.

Voraussichtlich werden auch Proben von Marsgestein an der Universität Bayreuth untersucht werden, sei es in Form von Meteoriten oder von Proben, die von laufenden und zukünftigen Missionen zurückgebracht werden. Die National Aeronautics and Space Administration (NASA) und die European Space Agency (ESA) haben Prof. Dr. Audrey Bouvier kürzlich als Mitglied der Mars Sample Return Campaign Science Group ausgewählt. Dieses internationale Gremium plant derzeit die Rückführung von Gesteinsproben vom Mars. Es definiert die wissenschaftlichen Ziele der laufenden Probensammlung durch den Perseverance-Rover und entscheidet über die Konservierung und Verteilung der Proben für wissenschaftliche Analysen.

Zur Hayabusa2-Mission
Die Raumsonde Hayabusa2 startete am 3. Dezember 2014 und erforschte den Asteroiden Ryugu 17 Monate lang (Juni 2018 bis November 2019). Die Mission umfasste zwei Landeoperationen, um Proben des Asteroiden zu sammeln. Bei der zweiten Landung wurde durch den Abschuss eines 5-Gramm-Tantal-Projektils ein Krater erzeugt, so dass nicht nur Oberflächenmaterial, sondern auch Gesteinsproben aus tieferen Schichten gesammelt werden konnten. Die Probenkapsel wurde am 6. Dezember 2020 in Australien geborgen und unter strengen Quarantänebedingungen während der COVID-19-Pandemie nach Japan gebracht. Das internationale Team, das die Ryugu-Proben bisher analysiert hat, besteht aus insgesamt sechs Forschergruppen, die von Wissenschaftler*innen in Japan geleitet werden. Prof. Dr. Audrey Bouvier ist Mitglied der Arbeitsgruppe, die die in den Proben enthaltenen chemischen Elemente und ihre Isotope untersucht. Die Raumsonde Hayabusa2 ist unterdessen auf dem Weg zu einem anderen Asteroiden.

Veröffentlichung
Tetsuya Yokoyama et al: Samples returned from the asteroid Ryugu are similar to Ivuna-type carbonaceous meteorites. Science 2022, doi.org/10.1126/science.abn7850
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7850

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HAYABUSA-2 zu Asteroid (162173) Ryugu auf H-IIA

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Atomare Terahertz-Schwingungen lösen das Rätsel ultrakurzer Solitonen-Moleküle

Raumfahrer.net Redaktion — Thu, 21 Apr 2022 15:39:00 +0000

Stabile Pakete von Lichtwellen – sogenannte optische Solitonen – werden in Ultrakurzpuls-Lasern als eine Kette von Lichtblitzen ausgestrahlt. Diese Solitonen verbinden sich oft zu Paaren mit sehr kurzen zeitlichen Abständen. Anhand von atomaren Schwingungen im Terahertz-Bereich haben Forscher*innen der Universitäten Bayreuth und Wrocław jetzt das Rätsel gelöst, wie diese zeitlichen Verknüpfungen entstehen. In „Nature Communications“ berichten sie über ihre Entdeckung. Die Dynamik der aneinander gekoppelten Lichtpakete kann genutzt werden, um Atomschwingungen als charakteristische “Fingerabdrücke“ von Materialien extrem schnell zu vermessen. Eine Pressemitteilung der Universität Bayreuth.

Quelle: Universität Bayreuth.

Kopplung zweier ultrakurzer Solitonen, die zwischen den Spiegeln eines Laserresonators umherlaufen: Der erste Lichtblitz regt die Atome des Laserkristalls zu Schwingungen an, der folgende Blitz wird davon beeinflusst und auf stabilem Abstand gehalten. (Bild: Georg Herink)

21. April 2022 – In Ultrakurzpuls-Lasern können optische Solitonen besonders enge räumliche und zeitliche Verbindungen eingehen. Diese werden auch als ultrakurze „Solitonen-Moleküle“ bezeichnet, weil sie ähnlich wie die chemisch gebundenen Atome eines Moleküls stabil aneinander gekoppelt sind. Die Forschungsgruppe in Bayreuth verwendete einen weitverbreiteten Festkörperlaser aus einem mit Titanatomen versehenen Saphirkristall, um herauszufinden, wie diese Kopplung entsteht. Zunächst bewirkt ein einzelner vorauseilender Lichtblitz, dass die Atome im Kristallgitter des Saphirs in ultraschnelle Schwingungen geraten. Diese charakteristischen Schwingungen liegen im Terahertzbereich und klingen innerhalb von wenigen Pikosekunden wieder ab (eine Pikosekunde entspricht einer Billionstel Sekunde). In dieser extrem kurzen Zeitspanne ändert sich der Brechungsindex des Kristalls. Folgt nun unmittelbar ein zweiter Lichtblitz und holt den ersten ein, so spürt er diese Veränderung: Er wird von den Atomschwingungen nicht nur leicht beeinflusst, sondern auch stabil an das vorausgehende Soliton gebunden. Ein „Solitonen-Molekül“ ist geboren.

„Der von uns entdeckte Mechanismus beruht auf den physikalischen Effekten der Raman-Streuung und Selbstfokussierung. Er erklärt eine Vielzahl von Phänomenen, die der Wissenschaft seit der Erfindung von Titan-Saphir-Lasern vor über 30 Jahren Rätsel aufgegeben haben. Das besonders Spannende an der Entdeckung ist dabei, dass wir die Dynamik der Solitonen während ihrer Erzeugung im Laserresonator jetzt dazu ausnutzen können, um atomare Bindungen in Materialien extrem schnell abzutasten. Die gesamte Messung eines sogenannten Intracavity-Raman-Spektrums dauert jetzt weniger als eine Tausendstel Sekunde. Diese Erkenntnisse können dazu beitragen, besonders schnelle chemisch-sensitive Mikroskope zu entwickeln, mit denen Materialien identifiziert werden können. Darüber hinaus eröffnet der Kopplungsmechanismus neue Strategien, um Lichtpulse durch Atombewegungen zu steuern und umgekehrt einzigartige Materialzustände durch Lichtpulse zu erzeugen“, erklärt Juniorprofessor Dr. Georg Herink, Leiter der Studie und Juniorprofessor für Ultraschnelle Dynamik an der Universität Bayreuth.

Parallel zur Analyse experimenteller Daten ist es den Forscher*innen gelungen, ein theoretisches Modell für die Solitonendynamik zu entwickeln. Das Modell ermöglicht es, die in Experimenten gewonnenen Beobachtungen zu erklären und neuartige Effekte von Atomschwingungen auf die Dynamik von Solitonen vorherzusagen. Die Wechselwirkungen von Solitonen in optischen Systemen und ihre Anwendungen für die Hochgeschwindigkeits-Spektroskopie werden gegenwärtig im Rahmen des DFG-Forschungsprojekts FINTEC an der Universität Bayreuth untersucht.

Veröffentlichung:
Alexandra Völkel, Luca Nimmesgern, Adam Mielnik-Pyszczorski, Timo Wirth, Georg Herink: Intracavity Raman scattering couples soliton molecules with terahertz phonons. Nature Communications 13, 2066 (2022).

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physikalische Grundlagenforschung

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Bayreuther Physiker verrücken die Welt und zeigen: Münchhausen lügt immer

Raumfahrer.net Redaktion — Tue, 28 Sep 2021 16:16:35 +0000

Die Erzählung des Baron von Münchhausen, er habe sich an den Haaren aus dem Sumpf gezogen, lässt sich mit bekannten Naturgesetzen rasch als Lügenmärchen entlarven. Eine neue, umfassendere Widerlegung ist Matthias Schmidt und Sophie Hermann von der Universität Bayreuth in „Communications Physics“ gelungen. Eine Pressemitteilung der Universität Bayreuth.

Quelle: Universität Bayreuth.

Die Autoren der Studie: Prof. Dr. Matthias Schmidt und Sophie Hermann M.Sc.. (Foto: UBT/Lehrstuhl Theoretische Physik II.)

28. September 2021 – Erstmals haben Matthias Schmidt und Sophie Hermann das Noether-Theorem auf die Statistische Mechanik angewendet. Dabei haben sie das physikalische System der Welt mathematisch aus den Angeln gehoben und an beliebige andere Orte versetzt. Wie sich herausstellte, bleiben grundlegende physikalische Regeln gültig, wo immer sich die Welt befindet. Münchhausen ist in jeder „ver-rückten“ Welt ein Lügenbaron.

Das nach der deutschen Mathematikerin Emmy Noether (1882-1935) benannte Theorem bildet einen Grundpfeiler der Physik. Es ermöglicht eine klare und elegante Beschreibung physikalischer Systeme, von der klassischen Mechanik bis zur Hochenergiephysik. Bisher wurde das Noether-Theorem in der Physik auf die Zeitentwicklung von Systemen angewendet, in denen die raumzeitlichen Positionen von Objekten sowie ihre Kräfte und Bewegungen eindeutig bestimmbar sind. Doch wenn die Objekte sehr klein sind, wie beispielsweise Moleküle, Edelgasatome oder auch größere sogenannte kolloidale Teilchen, können sie statistisch auf der Basis von Wahrscheinlichkeiten treffender beschrieben werden. Die statistische Mechanik ist eine etablierte physikalische Disziplin, die genau solche Beschreibungen ungeordneter Welten entwickelt. Mir ihren Verfahren kann man berechnen, wie sich aus dem Zusammenspiel von winzigen Teilchen, ihren Kräften und Bewegungen größere Strukturen und Prozesse ergeben, die für das menschliche Auge sichtbar sind.

Prof. Dr. Matthias Schmidt, Inhaber des Lehrstuhls für Theoretische Physik II an der Universität Bayreuth, und Sophie Hermann M.Sc., Doktorandin und wissenschaftliche Mitarbeiterin, haben nun erstmals das Noether-Theorem auf Fragen der statistischen Mechanik übertragen. Dafür bedurfte es eines sogenannten Funktionals, das als Scharnier zwischen der eindeutig determinierten Welt des Noether-Theorems und der ungeordneten, statistisch beschreibbaren Welt der Teilchen fungiert. Als Grundlage eines solchen Scharniers wählten die Bayreuther Physiker einen hochdimensionalen Raum, der prinzipiell das gesamte physikalische System der Welt enthält – mit allen Teilchen sowie allen ihren raumzeitlichen Positionen, Kräften und Bewegungen.

Nun kann das Funktional die Anwendbarkeit des Noether-Theorems aber nur ermöglichen, wenn eine entscheidende Bedingung erfüllt ist: Es muss so definiert sein, dass das physikalische System der Welt seine räumliche Position darin ändern kann – indem es gedreht oder verschoben wird. Genau dies ist den Bayreuther Physikern gelungen: Durch mathematische Operationen haben sie die existierende Welt in dem Raum, der die Brücke von dem Noether-Theorem zur statistischen Mechanik bildet, auf unterschiedliche Weisen neu platziert. Die Welt wurde buchstäblich ver-rückt. „Von dem griechischen Mathematiker Archimedes ist der Ausspruch überliefert, dass er die Welt aus den Angeln heben könne, wenn man ihm einen festen Punkt gebe. Mit den Instrumenten der Mathematik und der theoretischen Physik ist uns dies gelungen – zwar ohne einen unverrückbaren Fixpunkt, aber mit einem Funktional, das die unterschiedlichsten Hypothesen zur räumlichen Position der Welt erlaubt. Auf dieser Basis lässt sich berechnen, ob und wie sich die Welt ändert, wenn man sie räumlich verschiebt“, sagt Sophie Hermann.

Durch Anwendungen des Noether-Theorems auf Fragen der statistischen Mechanik sind die Bayreuther Physiker zu neuen Erkenntnissen und konkreten Aussagen gelangt, die für unsere real existierende Welt gelten. Einige dieser Aussagen betreffen die Kräfte, die im physikalischen System der Welt wirken. Und genau an diesem Punkt lässt sich auch die Behauptung des Barons von Münchhausen widerlegen, er habe sich selbst an den Haaren – und gleichzeitig das zwischen seinen Beinen eingeklemmte Pferd – aus dem Sumpf herausgezogen. Dieses Kunststück ist nicht nur in der realen Welt, sondern auch in jeder hypothetisch verschobenen Welt unmöglich.

„In unserer Studie haben wir das Noether-Theorem und die statistische Mechanik in einer Weise kombiniert, wie dies in der Physik zuvor noch nicht gelungen ist. Insofern stellen unsere Forschungsergebnisse auch einen Beitrag zu einer „Einheit der Physik“ dar. In den Sozialen Medien löst die Veröffentlichung in Communictions Physics zurzeit lebhafte Reaktionen aus. Schließlich hat die Theoretische Physik, wenn sie zu neuen Einsichten über unsere Welt vordringt, eine starke Faszinationskraft“, sagt Matthias Schmidt.

Veröffentlichung:

Sophie Hermann, Matthias Schmidt: Noether’s theorem in statistical mechanics. Communication Physics 2021, 4, 176.

Weitere Lektüre:

Sophie Hermann, Matthias Schmidt: Why Noether’s Theorem applies to Statistical Mechanics. arXiv:2109.10283, https://arxiv.org/abs/2109.10283

Weiteres Informationsmaterial:

www.mschmidt.uni-bayreuth.de/noether.html

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Studie zeigt hohe Kohlenstoffspeicherung in afrikanischen Bergwäldern

Raumfahrer.net Redaktion — Thu, 26 Aug 2021 14:06:00 +0000

Die tropischen Bergwälder Afrikas speichern in ihrer oberirdischen Biomasse mehr Kohlenstoff pro Hektar als alle anderen tropischen Wälder der Erde. Sie leisten mit dieser hohen Speicherkapazität, die vom Weltklimarat IPCC bisher erheblich geringer veranschlagt wurde, einen großen Beitrag zum Klimaschutz. Zu diesem Ergebnis kommt eine in „Nature“ veröffentlichte Studie eines internationalen Forschernetzwerks, das mit Nachdruck zum Erhalt dieser kohlenstoffreichen Ökosysteme aufruft. Dr. Andreas Hemp von der Universität Bayreuth und sein Team haben in diesem Rahmen die Kohlenstoff-Vorräte in den Bergwäldern am Kilimanjaro untersucht. Eine Pressemitteilung der Universität Bayreuth.

Quelle: Universität Bayreuth.

Nebelwald am Kilimanjaro. (Foto: Andreas Hemp)

26. August 2021 – Die an der Studie beteiligten Forscher*innen haben auf 226 ausgewählten Flächen, die sich auf 44 Regionen in 12 afrikanischen Ländern verteilen, die Kohlenstoff-Speicherung in der oberirdischen Biomasse von Bergwäldern untersucht. Das Ergebnis: Die tropischen Bergwälder Afrikas speichern im Durchschnitt rund 149,4 Tonnen Kohlenstoff pro Hektar. Der IPCC ist dagegen bisher nur von durchschnittlich 89,3 Tonnen Kohlenstoff pro Hektar ausgegangen. Die in früheren Forschungsarbeiten ermittelte durchschnittliche Speicherleistung der oberirdischen Biomasse von tropischen Wäldern in Zentral- und Südamerika sowie in der Karibik ist erheblich geringer als in den tropischen Bergwäldern Afrikas.

Baumriese der Art Entandrophragma excelsum am Kilimanjaro. (Foto: Andreas Hemp)

„Vor allem in Ostafrika befinden sich die meisten Wälder in Gebirgsregionen, so dass sie hier eine herausragende Bedeutung für den Kohlenstoffhaushalt und den Klimaschutz haben. Unsere Studie, die diese Speicherleistung erstmals quantifiziert hat, macht deutlich, welche ökologischen Schäden ein weiteres Abholzen der Bergwälder verursachen würde. Und sie zeigt umgekehrt auch den Nutzen der von vielen afrikanischen Staaten unterstützten Maßnahmen zur Wiederaufforstung. Aufgrund früherer Forschungsarbeiten ist bekannt, dass die afrikanischen Bergwälder Hotspots der Biodiversität darstellen und eine große Zahl endemischer Pflanzen- und Tierarten beherbergen, das heißt von Arten, die es nirgendwo sonst auf der Erde gibt. Auch unter diesem Aspekt sollten die Anstrengungen zum Erhalt dieser Ressourcen verstärkt werden“, sagt Dr. Andreas Hemp.

Dr. Andreas Hemp, Universität Bayreuth. (Foto: UBT)

Der Bayreuther Biologe erforscht seit mehr als 30 Jahren gemeinsam mit Partnern in Deutschland, Kenia und Tansania die Pflanzenwelt am Kilimanjaro. Im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Verbundprojekts „Kili-SES“ untersucht er den Wandel der Vegetation am Kilimanjaro und die daran beteiligten klimatischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Ursachen. Für die jetzt in „Nature“ veröffentlichte Studie hat er gemeinsam mit seinem Forschungsteam systematische Messungen in Bergwäldern am Kilimanjaro durchgeführt: „Wenn man die Höhe, den Umfang und die Holzdichte der Baumstämme kennt, kann man auf der Basis dieser Messdaten die Menge des in den Bäumen gespeicherten Kohlenstoffs mit einiger Genauigkeit ermitteln“, erklärt Hemp.

Bedingt durch die Seltenheit zerstörerischer Wirbelstürme in Afrika, beruhen die vergleichsweise hohen Kohlenstoffvorräte der tropischen Wälder in Afrika nicht zuletzt auf der hohen Speicherkapazität sehr großer Bäume, die sowohl in Berg- als auch in Tieflandregionen ungestört wachsen können. Die höchsten Bäume Afrikas befinden sich am Kilimanjaro, wie eine Forschungsgruppe um Dr. Andreas Hemp 2016 herausgefunden hat.

Veröffentlichung:
Aida Cuni-Sanchez et al.: High aboveground carbon stock of African tropical montane forests. Nature (2021).

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Klimawandel

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Das Sonnensystem entstand in zwei Schritten

Raumfahrer.net Redaktion — Fri, 22 Jan 2021 14:41:00 +0000

Ein internationales Team von Forschern der University of Oxford, der LMU München, der ETH sowie der Universität Zürich und des Bayerischen Geoinstituts an der Universität Bayreuth hat eine neue Theorie für die Entstehung des Sonnensystems entwickelt: Die Theorie erklärt die Bildung der Planeten und viele Meteoritenfunde durch zwei Entstehungsschritte. Ihre Ergebnisse wurden am 22. Januar 2021 in „Science“ veröffentlicht. Medienmitteilung der Universität Bayreuth.

Quelle: Universität Bayreuth.

Die Entstehung des Sonnensystems in zwei unterschiedlichen Planetenpopulationen. Die inneren terrestrischen Protoplaneten beginnen früh zu entstehen, erben eine beträchtliche Menge an radioaktivem Aluminium-26 und schmelzen daher, bilden Eisenkerne und entgasen ihren ursprünglichen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen schnell. Die Planeten des äußeren Sonnensystems beginnen ihre Bildung später und weiter draußen mit weniger radioaktiver Erwärmung und behalten daher den Großteil ihrer ursprünglich akkretierten flüchtigen Stoffe.
(Bild: Mark A. Garlick / markgarlick.com)

Jüngste Erkenntnisse aus astronomischen Beobachtungen protoplanetarer Scheiben und geochemischen Laboranalysen von Meteoriten belegen, dass – anders als bisher angenommen – die Planetenentstehung nur etwa 200.000 Jahre nach der Bildung des jungen Sterns beginnt und in isolierten Regionen des jungen Sonnensystems stattfindet. Die terrestrischen Planeten wie Erde und Mars verdanken dem frühen Beginn ihrer Entstehung eine relativ trockene Zusammensetzung, während die äußeren Planeten wie Jupiter und Saturn, Asteroiden und Kometen während ihrer später einsetzenden Entstehung wesentlich mehr flüchtige Stoffe wie Wasser erhielten.

Astronomische Beobachtungen von planetenbildenden Scheiben haben gezeigt, dass diese Scheiben häufig nur schwache Turbulenzen aufweisen. Unter diesen Bedingungen zeigen die Modelle, dass die Eislinie, an der Wasser von der Gas- in die Eisphase übergeht, im frühen Sonnensystem von innen nach außen wanderte. Hierbei kam es zu einem frühen Bildungsschub von Planetesimalen, den Bausteinen der Planeten, im inneren Sonnensystem und einem weiteren Schub später und weiter außen. Diese zwei Entstehungsepochen erklären den frühen Beginn und das langwierige Ende der Planetenbildung im inneren Sonnensystem und den späteren Beginn und den schnelleren Abschluss der Planetenentstehung des äußeren Sonnensystems. Hierbei sammeln die zwei unterschiedlichen Planetesimalpopulationen nach ihrer jeweiligen Bildung weiterhin Material aus der umgebenden Scheibe und über gegenseitige Kollisionen. Jedoch führen die unterschiedlichen Zeiten der ursprünglichen Entstehung zu unterschiedlicher interner Entwicklung der sich bildenden Protoplaneten.

Prof. Dr. Gregor Golabek vom Bayerischen Geoinstitut an der Universität Bayreuth und Mitautor der Studie erläutert: „Die unterschiedlichen Entstehungszeiträume dieser beiden Planetesimalpopulationen bedeuten, dass sich ihr interner Wärmemotor aus dem radioaktiven Zerfall des kurzlebigen Isotops 26Al deutlich unterschied. Planetesimale des inneren Sonnensystems wurden sehr heiß, entwickelten interne Magma-Ozeane, bildeten schnell Eisenkerne und entgasten ihren anfänglichen flüchtigen Inhalt, was schließlich zu einer trockenen Planetenzusammensetzung führte. Im Vergleich dazu bildeten sich die Planetesimale des äußeren Sonnensystems später und erfuhren daher eine wesentlich geringere innere Erwärmung und somit eine begrenzte Eisenkernbildung und Freisetzung flüchtiger Stoffe. Das früh gebildete und trockene innere Sonnensystem und das später gebildete und wasserreiche äußere Sonnensystem wurden daher schon sehr früh in ihrer Geschichte auf zwei unterschiedliche Evolutionspfade gebracht.“

Neuinterpretation der frühesten Entstehungsepoche des Sonnensystems
Die frühe Aufspaltung der beiden Populationen bietet eine plausible Erklärung für die Zweiteilung des Isotopengehalts von innerem und äußerem Sonnensystem, die in vielen Meteoriten nachgewiesen wurde. Die beiden Planetenpopulationen bildeten sich zu unterschiedlichen Zeiten und in unterschiedlichen Entfernungen von der Sonne, deshalb wurden während der späteren Entwicklung nur unwesentliche Mengen an Material aus dem äußeren Sonnensystem in die inneren terrestrischen Planeten eingebaut und die isotopische Zweiteilung blieb erhalten. Die Modelle zeigen ebenfalls, dass die anwachsenden terrestrischen Planeten während der Existenz der protoplanetaren Scheibe erfolgreich vom ursprünglichen Entstehungsort ihrer Bausteine an der Eislinie an ihre heutigen Positionen im Sonnensystem wandern können.

Das vom Team vorgeschlagene umfassende Entstehungsmodell macht weiterhin die Voraussage, dass einer frühen, durch gegenseitige Kollisionen dominierten Akkretion eine Phase folgt, die von der Akkretion kleinerer Staubkörner, sogenannter „Pebbles“, dominiert wird. „Dies hätte beobachtbare Konsequenzen für heutige Asteroiden und Meteoriten, beides Überbleibsel des frühen Sonnensystems, die wir mittels Raumsonden und Laboruntersuchungen überprüfen können“, so der Wissenschaftler. „Weiterhin könnte die rasche Entstehung der Planetesimale in separaten Reservoiren einige der Ringstrukturen erklären, die in den letzten Jahren mittels Radioteleskopen in protoplanetaren Scheiben um besonders junge Sterne entdeckt wurden. Dies könnte durch weitere astronomische Beobachtungen von protoplanetaren Scheiben, in denen heute neue Planeten entstehen, zukünftig weiter untersucht werden. Die Studie zeigt ebenfalls, dass schon sehr früh feststeht, ob ein zukünftiger Planet wasserreich oder wasserarm sein wird. Dies eröffnet neue Wege, um die Planeten unseres Sonnensystems im Kontext der vielen in der Galaxie entdeckten, möglicherweise sehr wasserreichen, Exoplaneten zu verstehen.“

Prof. Dr. Gregor Golabek vom Bayerischen Geoinstitut an der Universität Bayreuth
Prof. Dr. Gregor Golabek ist Mitautor der Studie. Der Geophysiker arbeitet derzeit hauptsächlich an der frühen thermomechanischen Entwicklung von terrestrischen Planeten. „Die Erforschung der Planetenentstehung und ihrer frühen Evolution ist meiner Meinung nach eine spannende Aufgabe, da Daten und Modelle aus so unterschiedlichen Disziplinen wie Astrophysik, Geochemie und Gesteinsphysik mit computergestützter Geodynamik kombiniert werden können, um ein besseres Verständnis der Prozesse zu erhalten, die das frühe Sonnensystem prägten“, so Golabek. Das Bayerische Geoinstitut an der Universität Bayreuth betreibt experimentelle Hochtemperatur-/Hochdruck-Forschung auf den Gebieten Mineralogie, Petrologie, Geochemie und Geophysik. Untersuchungen zur Struktur, Zusammensetzung und zur Dynamik des Erdinnern mehren unser Verständnis über gesteinsbildende Prozesse.

Diese Forschung wurde mit Mitteln der Simons Collaboration on the Origins of Life, des Schweizerischen Nationalfonds und des Europäischen Forschungsrats unterstützt.

Lesen Sie die vollständige Studie:
„Bifurcation of planetary building blocks during Solar System formation“, Tim Lichtenberg, Joanna Drążkowska, Maria Schönbächler, Gregor J. Golabek, Thomas O. Hands, veröffentlicht am 22. Januar 2021.

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Planetenentstehung

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Hohe Drücke lassen Wasserstoff-Varianten kollabieren

Raumfahrer.net Redaktion — Thu, 17 Dec 2020 23:00:00 +0000

Bayreuther Forschungsteam: Hohe Drücke lassen Wasserstoff-Varianten kollabieren. Wasserstoff existiert als gasförmige Verbindung zweier Wasserstoff-Atome (H₂). Unter normalen Laborbedingungen kommt H₂ in den Varianten „Orthowasserstoff“ und „Parawasserstoff“ vor. Bisher war es eine offene Frage, wie sich diese Varianten unter sehr hohen Drücken verhalten. Eine Pressemitteilung der Universität Bayreuth.

Quelle: Universität Bayreuth.

Valenzstrichformel des Wasserstoffmoleküls
(Bild: Lukáš Mižoch – gemeinfrei)

Forscher*innen der Universität Bayreuth haben jetzt die Antwort gefunden: Sowohl Ortho- als auch Parawasserstoff werden unter hohen Drücken instabil und hören auf, als unterscheidbare Zustände zu existieren. Die in „Nature Communication“ vorgestellten Forschungsergebnisse erweitern das physikalische Verständnis grundlegender quantenmechanischer Prozesse.

Die beiden Zustände des molekularen Wasserstoffs, Ortho- und Parawasserstoff, werden in der Forschung als Spin-Isomere bezeichnet. Sie haben die gleiche chemische Struktur, unterscheiden sich aber durch die Weise, wie sich die Kerne der in einem H₂-Molekül verbundenen „Zwillings-Atome“ hinsichtlich ihrer Drehimpulse zueinander verhalten. Daraus ergeben sich verschiedene physikalische Eigenschaften der Spin-Isomere, beispielsweise Unterschiede hinsichtlich der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit. Die Frage, ob die Spin-Isomere auch unter sehr hohen Drücken koexistieren, ist für die Planetenforschung und auch für die Grundlagen der Quantenmechanik von großem Interesse. Gasriesen wie der Jupiter enthalten große Mengen gasförmigen Wasserstoffs. In diesen Planeten sind die H₂-Moleküle einem Kompressionsdruck ausgesetzt, der viele hundert Mal höher ist als in der Erdatmosphäre.

„Würden die beiden Spin-Isomere in Gasriesen koexistieren und sich ungefähr gleichmäßig verteilen, ließen sich daraus wichtige Rückschlüsse auf die Magnetfelder dieser Planeten und deren Stabilität ableiten. Doch in unserer Studie ist uns jetzt erstmals der Nachweis gelungen, dass Ortho- und Parawasserstoff durch derart hohe Kompressionsdrücke destabilisiert werden. Ihre jeweils charakteristischen Eigenschaften gehen bei rund 70 Gigapascal verloren. Dieser Nachweis kann unser Verständnis quantenmechanischer Prozesse erheblich erweitern“, sagt der Erstautor und Physiker Dr. Thomas Meier von der Universität Bayreuth.

Bei der jetzt in „Nature Communications“ veröffentlichten Studie haben zwei Forschungseinrichtungen der Universität Bayreuth miteinander kooperiert: das Labor für Kristallographie und das Bayerische Geoinstitut (BGI). Entscheidend für den Erfolg war ein Verfahren, das die geo- und materialwissenschaftliche Hochdruckforschung mit der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) kombiniert. Für die Entwicklung dieses Verfahrens, die Hochdruck-Kernresonanzspektroskopie, wurde das BGI im Jahr 2018 als Gewinner des bundesweiten Wettbewerbs „Ausgezeichnete Orte im Land der Ideen“ geehrt.

Veröffentlichung:
T. Meier, D. Laniel, M. Pena-Alvarez, F. Trybel, S. Khandarkhaeva, A. Krupp, J. Jacobs, N. Dubrovinskaia, L. Dubrovinsky: Nuclear spin coupling crossover in dense molecular hydrogen. Nature Communications (2020), 11, 1-7.

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Entstehung von Stein-Eisen-Meteoriten

Raumfahrer.net Redaktion — Fri, 31 Jul 2020 06:25:00 +0000

Kollisionen im Sonnensystem: Bayreuther Forscher erklären die Entstehung von Stein-Eisen-Meteoriten. Eine Pressemitteilung der Universität Bayreuth.

Quelle: Universität Bayreuth.

Textur eines Pallasiten (Breite: 3,5 cm): Die braunen und gelbbraunen Bereiche enthalten Olivine, die in Eisen und Nickel eingebettet sind.
(Bild: Audrey Bouvier)

Pallasite sind Stein-Eisen-Meteoriten und bekannt für ihre ungewöhnlichen, optisch attraktiven Strukturen. Ihre Herkunft war jedoch bislang umstritten. Forschern am Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth ist es jetzt durch Hochdruck-Experimente gelungen, die Entstehung aller bekannten Pallasit-Arten zu simulieren und in die Geschichte des Sonnensystems einzuordnen. Dabei haben sie mit Wissenschaftlern der Technischen Universität München und der Royal Holloway University of London eng zusammengearbeitet. In der Zeitschrift „Earth and Planetary Science Letters” werden die neuen Erkenntnisse vorgestellt.

Wie die Forscher jetzt herausgefunden haben, stammen Pallasite aus Asteroidenkollisionen vor rund 4,5 Milliarden Jahren. Bei diesen Zusammenstößen hat sich Eisen aus dem jeweils kleineren Asteroiden mit dem olivinreichen Material im Mantel des größeren Asteroiden vermischt. Milliarden Jahre später wurden Teile dieser Materialmischung durch die Wucht eines weiteren Einschlags aus der Oberfläche des Asteroiden herausgesprengt und ins Weltall katapultiert. Einige davon sind schließlich auf der Erde eingeschlagen. Diese Entstehungsgeschichte erklärt die ungewöhnlichen Strukturen der Pallasite: Sie enthalten grün-braune Olivinkristalle, umgeben von Nickel und Eisen.

Mitglieder des BGI-Forschungsteams: Prof. Dr. Gregor Golabek, Danielle Silva Souza B.Sc., Prof. Dr. Audrey Bouvier (v.l.n.r.).
(Bild: Christian Wißler)

In der Forschung wird die räumliche Anordnung verschiedener Materialien in einem Gestein und die daraus resultierenden Strukturen als Textur bezeichnet. Die Pallasite, die bisher auf der Erde gefunden und untersucht wurden, weisen eine sehr große Vielfalt von Texturen auf. „Mit unseren Forschungsarbeiten konnten wir erstmals alle in Pallasiten beobachteten Texturen im Labor reproduzieren. Dies zeigt beispielhaft, dass uns diese Meteoriten aufschlussreiche und auch unerwartete Einblicke in die Frühgeschichte unseres Sonnensystems bieten können. Wir wollen daher unsere Strukturuntersuchungen und chemischen Untersuchungen von Pallasit-Meteoriten am BGI fortsetzen – nicht zuletzt in den geochemischen Laboratorien, die in Kürze am BGI neu entstehen“, sagt Prof. Dr. Audrey Bouvier, Professorin für experimentelle Planetologie an der Universität Bayreuth.

Die MOVA-Hochdruckpresse im Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth kann Drücke von bis zu 15 Gigapascal (GPa) erzeugen und Gesteinsproben auf mehr als 2.000 Grad Celsius aufheizen.
(Bild: Christian Wißler)

Die neuen Erkenntnisse sind aus Experimenten an zwei äußerst leistungsstarken Geräten hervorgegangen: der Hochdruck-Presse MAVO am Bayerischen Geoinstitut und der baugleichen Hochdruck-Presse SAPHiR. Diese wird zurzeit unter Mitwirkung von Prof. Dr. Hans Keppler vom BGI an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz der TU München aufgebaut.

„Mit diesen Instrumenten können wir die Prozesse, die zur Entstehung von Meteoriten, Asteroiden oder Planeten geführt haben, sehr realitätsnah simulieren. Um die Entstehung von Pallasiten durch Asteroidenkollisionen erklären zu können, haben wir die bei diesen Prozessen herrschenden Druck und Temperaturverhältnisse nachgeahmt: Eisen- und olivinhaltige Proben wurden von uns einem Druck von einem Gigapascal (GPa) bei 1.300 Grad Celsius ausgesetzt. Die Formveränderungen und inneren Spannungen, die wir dabei an den Proben beobachten konnten, haben wir dann mit den Texturen in den Pallasit-Meteoriten verglichen“, erklärt die Bayreuther Master-Studentin Danielle Silva Souza. Nach ihrem Bachelor-Abschluss in Geowissenschaften an der Bundesuniversität von Ouro Preto in Brasilien ist sie nach Bayreuth gekommen, um am BGI an experimentell ausgerichteten geowissenschaftlichen Projekten mitzuarbeiten. Hierzu zählen auch die geochemischen Untersuchungen an Pallasiten. „Das BGI bietet für diese Forschungsarbeiten exzellente Voraussetzungen“, sagt die Bayreuther Nachwuchs-Forscherin.

Veröffentlichung:
Nicolas P. Walte, Giulio F. D. Solferino, Gregor J. Golabek, Danielle Silva Souza, Audrey Bouvier: Two-stage formation of pallasites and the evolution of their parent bodies revealed by deformation experiments. Earth and Planetary Science Letters (2020), Vol. 546, 116419. DOI: 10.1016/j.epsl.2020.116419

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