Quelle: Leibniz Universität Hannover 8. Dezember 2023.

8. Dezember 2023 – Wie „Nahrung aus der Luft“ nicht nur auf der Erde, sondern auch im Weltall eine Zukunft haben könnte, zeigt das studentische Projekt „Glücksklee“ der Leibniz Universität Hannover (LUH) bei Herrenhausen Late. Der Vortrag am Mittwoch, dem 13. Dezember 2023, beginnt um 20.30 Uhr im Xplanatorium Herrenhausen, Alte Herrenhäuser Straße 5, 30419 Hannover. Die Veranstaltung ist öffentlich, der Eintritt ist frei, eine Anmeldung ist nicht erforderlich. Der Vortrag im Rahmen von Herrenhausen Late ist eine Kooperation der VolkswagenStiftung und der LUH (Referat für Kommunikation und Marketing).

Unter dem Titel „Erbsenzählen im Weltraum? Das Experiment Glücksklee“ geben zunächst Dr. Natalija Hohnjec und Prof. Dr. Helge Küster vom Institut für Pflanzengenetik der LUH eine Einführung in die Welt der Knöllchensymbiose. Anschließend stellen die Studierenden Justin Sondheim, Elsa Culemann und Dominik Woiwode aus dem Glücksklee-Team ihr Projekt vor.

Das Projekt „Glücksklee“
„Glücksklee“ ist ein interdisziplinäres Team aus zehn Studierenden. Außer der Pflanzenbiotechnologie sind auch die Bereiche Maschinenbau und Informatik zur technischen Umsetzung beteiligt. Ansässig ist das Glücksklee-Team am Institut für Pflanzengenetik, Abteilung Pflanzengenomforschung (Prof. Dr. Helge Küster) der LUH und wird betreut von Dr. Natalija Hohnjec (Laborleiterin der Abteilung Pflanzengenomforschung). Die technische Unterstützung bekommen sie vom Institut für Produktionsentwicklung und Gerätebau sowie vom Institut für Mikroelektronische Systeme der LUH.

Für ein optimales Wachstum benötigen Pflanzen gewöhnlich Wasser, Nährstoffe, Luft, Licht und Wärme. Von all dem bietet der Weltraum wenig. Hier braucht man für die experimentelle Anzucht eigene Wuchskammern mit einer mineralischen Stickstoffdüngung. Die Studierenden der LUH haben im Rahmen ihres Experiments untersucht, ob – wie auf der Erde – auch im Weltraum Pflanzenwachstum ohne den Einsatz von Stickstoffdünger möglich ist: Hülsenfrüchtler, wie Erbsen, sind nämlich in der Lage, durch eine Symbiose mit Bodenbakterien das Stickstoffgas der Luft zu nutzen, um zu wachsen. Mit viel Kreativität und Know-how kombinierten die Studierenden Biologie und Technik, um für Medicago truncatula, eine Verwandte der Erbse, eine kontrollierte Wuchskammer zu entwickeln, in der die Ausbildung der stickstofffixierenden Symbiose auf der Weltraumstation ISS unter Bedingungen der Mikrogravitation ab März 2023 vier Wochen lang getestet werden konnte. Wie ist die Idee für dieses Projekt entstanden? Wie konnte die stickstofffixierende Symbiose im Weltraum aufrechterhalten werden und was bedeutet das für eine Zukunft im All? Das verrät der Vortrag bei Herrenhausen Late.

Weitere Informationen zum Projekt „Glücksklee“: https://gluecksklee.space/media

Das Veranstaltungsformat Herrenhausen Late
Die Veranstaltungsreihe Herrenhausen Late wendet sich an ein jüngeres oder junggebliebenes Publikum und bietet in Lounge-Atmosphäre spannende Wissenschaft und außergewöhnliche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Eine Platzreservierung für die Veranstaltung ist nicht möglich, Einlass ist ab 19.30 Uhr. Alle Veranstaltungen werden außerdem im Livestream übertragen.

Livestream: https://www.volkswagenstiftung.de/de/veranstaltungen/erbsenzaehlen-im-weltraum-das-experiment-gluecksklee

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Quelle: Leibniz Universität Hannover (LUH) 16. November 2023.

16. November 2023 – Der Erfolg ist ein weiterer Schritt auf dem Weg, die bisher nur auf der Erde verfügbaren Quantentechnologien ins All zu bringen. Physiker der Leibniz Universität Hannover (LUH) lieferten im Rahmen einer Zusammenarbeit mit Professor Nicholas Bigelow von der Universität Rochester die dafür notwendigen theoretischen Berechnungen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler jetzt in der Fachzeitschrift Nature.

Die Forschungsergebnisse machen es nun möglich, nicht nur die Quanteneigenschaften einzelner Atomsorten zu untersuchen, sondern auch die Quantenchemie, die sich damit befasst, wie Isotope verschiedener Elemente miteinander interagieren und sich in einem Quantenzustand verbinden. Forschende können mit dem Cold Atom Lab jetzt eine breitere Palette von Experimenten durchführen und feiner ermitteln, wie sie unter Bedingungen der Mikrogravitation, also annähernder Schwerelosigkeit ablaufen.

Quantenchemie
Die physikalische Welt um uns herum beruht darauf, dass Atome und Moleküle nach festen Regeln miteinander verbunden bleiben. Diese Regeln können jedoch unterschiedlich stark ausgeprägt sein – abhängig von der Umgebung, in der sich die Atome und Moleküle befinden, beispielsweise in Schwerelosigkeit. Mit dem Cold Atom Lab können Szenarien erforscht werden, in denen die Quantennatur der Atome ihr Verhalten dominiert. Das kann bedeuten, dass sich Atome und Moleküle nicht mehr wie feste Kugeln, sondern eher wie Wellen verhalten.

In einem dieser Szenarien können die Atome in zwei- oder dreiatomigen Molekülen zwar aneinander gebunden bleiben, sich aber immer weiter voneinander entfernen, fast so, als würden sich die Moleküle aufplustern. Um diese Zustände zu untersuchen, müssen zunächst die Atome verlangsamt werden. Dazu werden sie auf Bruchteile eines Grades über der niedrigsten Temperatur abgekühlt, die Materie erreichen kann und die weit kälter ist als alles, was im natürlichen Universum vorkommt: der absolute Nullpunkt oder minus 273 Grad Celsius.

Auf der Erde konnten diese aufgeplusterten Moleküle in Experimenten mit ultrakalten Atomen bereits erzeugt werden, sie sind jedoch extrem fragil und brechen entweder schnell auseinander oder kollabieren wieder in einen normalen molekularen Zustand. Aus diesem Grund sind vergrößerte Moleküle mit drei Atomen noch nie direkt abgebildet worden. In Mikrogravitation können die empfindlichen Moleküle länger existieren und möglicherweise größer werden. Entsprechende Versuche sind nun mit dem Cold Atom Lab möglich.

Eine der großen Fragen der Physik
„Wir haben jetzt zum Beispiel völlig neue Möglichkeiten, das Äquivalenzprinzip von Einstein zu testen, eine der grundlegendsten Annahmen der Physik“, sagt Naceur Gaaloul vom Institut für Quantenoptik der LUH und Mitautor der neuen Studie. Das berühmte Prinzip besagt, dass die Schwerkraft auf alle Objekte unabhängig von ihrer Masse gleich wirkt. Physiklehrerinnen und -lehrer demonstrieren dieses Prinzip häufig, indem sie eine Feder und einen Hammer in eine versiegelte Vakuumkammer legen und zeigen, dass die beiden Objekte bei fehlender Luftreibung gleich schnell fallen.

Das Äquivalenzprinzip ist Teil von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, dem Rückgrat der modernen Gravitationsphysik, die beschreibt, wie sich große Objekte, wie Planeten und Galaxien, verhalten. Eine der großen Frage der modernen Physik ist jedoch, warum die Gesetze der Schwerkraft nicht mit den Gesetzen der Quantenphysik übereinzustimmen scheinen, die das Verhalten kleiner Objekte wie Atome beschreiben. Beide Bereiche haben sich in ihrem jeweiligen Größenbereich immer wieder als richtig erwiesen, bisher konnten sie aber nicht zu einer einzigen Beschreibung des Universums als Ganzes vereint werden.

Weltführend in ultrakalter Quantenphysik
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Leibniz Universität Hannover gehören zu den international führenden Expertinnen und Experten in der Quantenforschung bei extrem tiefen Temperaturen – sowohl auf der Erde als auch im Weltraum. So entwickelt die Topical Group „Cold Atoms in Space“ des Exzellenzclusters QuantumFrontiers neue Ideen für die fundamentale Quantenphysik. An den Anlagen Very Long Baseline Atom Interferometer und Einstein Elevator sind ultrakalte Atome das zentrale Element für bahnbrechende Experimente in der Atomoptik mit Anwendungen in der hochgenauen absoluten Gravimetrie und Tests der fundamentalen Physik.

Derzeit laufen auch die Vorbereitungen für den Start der Raketenmission MAIUS-2, die die Erzeugung von Mischungen von Quantengasen im Weltraum untersuchen wird und deren Ergebnisse die Grundlage für ehrgeizige Interferometrie-Missionen zusammen mit der NASA auf der Internationalen Raumstation ab 2027 bilden werden.

Originalartikel
Quantum Gas Mixtures and Dual-Species Atom Interferometry in Space
Elliott, E.R.; Aveline, D.C.; Bigelow, N.P. et al.
Nature 7987, 623 (2023)
DOI: doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06645-w

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Leibniz Universität Hannover und ZARM 13. Juli 2023.

13. Juli 2023 – Eine der grundlegendsten Annahmen in der fundamentalen Physik besagt, dass die verschiedenen Eigenschaften von Masse – Schwere, Trägheit und Anziehungskraft – im Verhältnis zueinander immer gleich bleiben. Wäre diese Äquivalenz nicht gegeben, würde das der Einsteinschen Relativitätstheorie widersprechen und unsere aktuellen Physikbücher müssten umgeschrieben werden. Obwohl alle bisherigen Messungen das Äquivalenzprinzip bestätigen, müsste es aus quantentheoretischer Sicht eigentlich eine Verletzung geben. Diese Unvereinbarkeit zwischen der Einsteinschen Gravitationsphysik und der modernen Quantentheorie ist der Grund, warum immer genauere Tests des Äquivalenzprinzips einen so hohen Stellenwert haben. Einem Team des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen ist es nun zusammen mit dem Institut für Erdmessung (IfE) der Leibniz Universität Hannover gelungen, mit 100-facher verbesserter Genauigkeit nachzuweisen, dass schwere und anziehende Masse immer gleich – also äquivalent – sind, unabhängig von der speziellen Zusammensetzung der jeweiligen Massen. Diese Forschungsergebnisse entstanden im Rahmen des Exzellenzclusters „QuantumFrontiers“ und wurden heute in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ als Highlight-Artikel veröffentlicht.

Physikalischer Hintergrund
Die träge Masse widersetzt sich der Beschleunigung und sorgt z. B. dafür, dass man beim Anfahren eines Autos nach hinten in den Sitz gedrückt wird. Die schwere Masse reagiert auf die Gravitation und sorgt auf der Erde für unser Gewicht. Die anziehende Masse bezieht sich auf die Anziehungskraft, die ein Körper ausübt, genauer gesagt die Größe seines Gravitationsfeldes. Für die Allgemeine Relativitätstheorie ist die Äquivalenz dieser Eigenschaften von grundlegender Bedeutung. Daher wird sowohl die Gleichheit von träger und schwerer Masse als auch die Gleichheit von schwerer und anziehender Masse mit immer höherer Genauigkeit getestet.

Was wurde untersucht?
Würde man hypothetisch davon ausgehen, dass schwere und anziehende Masse nicht gleich wären – ihr Verhältnis also vom Material abhängt – würden sich Objekte, die aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Massenmittelpunkten bestehen, selbst beschleunigen. Da der Mond aus einer Aluminiumhülle und einem Eisenkern besteht, deren Massenmittelpunkte gegeneinander versetzt sind, müsste sich dann eine Beschleunigung des Mondes ergeben. Diese hypothetische Geschwindigkeitsänderung könnte man dank des „Lunar Laser Ranging“ mit hoher Genauigkeit ausmessen. Dabei werden Laser von der Erde auf die Spiegel ausgerichtet, die von den Apollo-Missionen und dem sowjetischen Luna-Programm auf dem Mond platziert wurden. Seitdem werden die Laufzeiten der Laserstrahlen aufgezeichnet. Das Forschungsteam konnte nun die Daten des „Lunar Laser Ranging“ von über 50 Jahren, d. h. von 1970 bis 2022, analysieren und auf solche „Massenungleichheits“-Effekte untersuchen. Da kein Effekt zu finden war, bedeutet dies, dass die schwere und anziehende Masse bis auf ca. 14 Nachkommastellen gleich ist. Das ist eine um zwei Größenordnungen bessere Abschätzung gegenüber der bisher besten Untersuchung von 1986.

Weltweit führend
Über diese neuesten Forschungsergebnisse zur Gleichheit der schweren und anziehenden Masse hinaus war das ZARM auch wesentlich an verbesserten Resultaten zu Gleichheit der trägen und schweren Masse beteiligt. Damit hat das Forschungsinstitut an der Universität Bremen bei allen Experimenten zum Äquivalenzprinzip maßgeblich dazu beigetragen, die Präzision der Ergebnisse erheblich zu verbessern.

Publikation:
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.021401.
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.021401.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Leibniz Universität Hannover (LUH) 28. Februar 2023.

28. Februar 2023 – Ein Team aus zehn Studierenden der Leibniz Universität Hannover (LUH) und des Leibniz Instituts für Astrophysik in Potsdam (AIP) hat das Experiment „Glücksklee“ entwickelt und damit den mit 20.000 Euro dotierten „Überflieger 2“-Wettbewerb gewonnen. Für zukünftige Langzeitmissionen im Weltraum wird es notwendig sein, dass die astronautischen Crews in den Raumfahrzeugen Pflanzen als Nahrungsquelle anbauen können. Allerdings hat die veränderte Schwerkraft während der Missionen eine Auswirkung auf das Pflanzenwachstum. Dieses Phänomen möchte das Team „Glücksklee“ von der LUH untersuchen und konnte damit im Jahr 2021 die Jury des Wettbewerbs des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Luxembourg Space Agency (LSA) überzeugen. Außer der Gruppe der LUH wurden noch drei weitere Gewinner-Teams von Universitäten in München, Stuttgart und Luxemburg ausgewählt, die zu anderen Schwerpunkten auf der ISS forschen.

Nach eineinhalb Jahren intensiver Vorbereitung ist es nun soweit: Die Gruppe der LUH kann ihr Experiment am 14. März 2023 um 1:00 Uhr (CET) mit der SpaceX CRS-27 vom Kennedy Space Center in Florida auf die Internationale Raumstation (ISS) schicken. Ein Teil des Projektteams wird beim Raketenstart dabei sein.

Mit der Trägerrakete wird die Klee-Modellpflanze (Medicago truncatula), mit einem Bakterium (Sinorhizobium meliloti) infiziert, auf die ISS geschickt. Eigentlich brauchen Pflanzen neben Licht, Luft und Wasser auch Dünger, um gut gedeihen zu können. Die Studierenden erforschen eine Methode der „Selbstdüngung“ durch die Symbiose mit dem Bakterium, so dass die Pflanzen ganz ohne Dünger auskommen könnten. Das funktioniert so: Am Boden nisten sich die Bakterien in den Wurzeln des Klees ein und erhalten Nährstoffe von der Pflanze. Im Gegenzug liefern sie der Pflanze Stickstoff, den diese zum Wachstum braucht. Dank der stickstofffixierenden Bakterien in den Wurzelknöllchen ist es der Pflanze möglich, ohne mineralische Stickstoffdüngung auszukommen. „Das Projekt ,Glücksklee‘ untersucht, ob diese Symbiose unter den veränderten Bedingungen der Schwerelosigkeit gestört ist oder aber trotzdem funktioniert“, erläutert Nils Wörz aus dem Projektteam. Denn besonders Pflanzen, die ohne Düngung auskommen – perspektivisch etwa nährstoffreiche Hülsenfrüchte wie Linsen oder Erbsen – können eine wertvolle Nahrungsquelle im All sein, wenn sie in der Schwerelosigkeit angebaut werden können.

Das ganze Experiment ist in einem 10 mal 10 mal 20 Zentimeter großen Kasten untergebracht und bleibt vier Wochen auf der ISS. Das Wachstum wird dabei mit einer Kamera dokumentiert. Nach der Rückkehr zur Erde werden die Studierenden das Experiment umfassend über RNA-Sequenzierung und mit weiteren Methoden auswerten, um herauszufinden, ob die Produktion „selbstdüngender“ Pflanzen unter Bedingungen der Mikrogravitation möglich ist. „Das wäre besonders für zukünftige Langzeitmissionen von Bedeutung“, sagt Wörz.

„Glücksklee“ ist ein interdisziplinäres Team aus zehn Studierenden. Außer der Pflanzenbiotechnologie sind auch die Bereiche Maschinenbau und Informatik zur technischen Umsetzung beteiligt. Ansässig ist das Team am Institut für Pflanzengenetik an der LUH, AG Küster, betreut von Natalija Hohnjec. Die technische Unterstützung bekommen sie vom Institut für Produktionsentwicklung und Gerätebau sowie vom Institut für Mikroelektronische Systeme der LUH.

Weitere Informationen zum Projekt „Glücksklee“ unter https://gluecksklee.space/media.

Der Start der SpaceX-Rakete zur Mission CRS-27 am 14. März um 1:00 (CET) kann live auf der Website der NASA unter https://www.nasa.gov/nasalive verfolgt werden.

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