Quelle: Universität zu Köln 18. Juli 2024.

18. Juli 2024 – Ein internationales Team von Forscher*innen unter Leitung von PD Dr. Florian Peißker hat einen Sternenhaufen in direkter Umgebung des supermassiven Schwarzen Lochs SgrA* (Sagittarius A Stern) im Zentrum unserer Galaxie untersucht und Anzeichen für ein weiteres, mittelschweres Schwarzes Loch gefunden. In unserem ganzen Universum sind trotz enormer Anstrengungen der Forschung bisher nur ungefähr zehn dieser mittelschweren Schwarzen Löcher gefunden worden. Wissenschaftler*innen nehmen an, dass sie sich schon kurz nach dem Urknall gebildet haben und durch Verschmelzung als „Samen“ für supermassive Schwarze Löcher fungieren. Die Studie wurde unter dem Titel „The Evaporating Massive Embedded Stellar Cluster IRS 13 Close to Sgr A*. II. Kinematic structure“ im Fachjournal The Astrophysical Journal veröffentlicht.

Der untersuchte Sternenhaufen namens IRS 13 liegt in einer Entfernung von 0,1 Lichtjahren vom Zentrum unserer Galaxie. Für astronomische Verhältnisse ist dies sehr nah, allerdings müsste man unser Sonnensystem dennoch zwanzig Mal von einem Ende zum anderen bereisen, um diese Strecke zurückzulegen. Den Forscher*innen ist aufgefallen, dass die Sterne, die in IRS 13 enthalten sind, sich unerwartet geordnet bewegen. Eigentlich hätten die Forscher*innen eine zufällige Anordnung der Sterne erwartet. Die geordnete Bewegung lässt zwei Schlüsse zu: Zum einen scheint IRS 13 mit SgrA* zu interagieren, was zu der geordneten Bewegung der Sterne führt. Zum anderen muss es etwas innerhalb des Sternenhaufens geben, damit dieser seine beobachtete kompakte Form behalten kann.

Multiwellenlängenbeobachtungen mit dem Very Large Telescope sowie den Teleskopen ALMA und Chandra deuten nun darauf hin, dass der Grund für die kompakte Form von IRS 13 ein mittelschweres Schwarzes Loch sein könnte, welches sich im Zentrum des Sternenhaufens befindet. Dafür würde sprechen, dass die Forscher*innen charakteristische Röntgenstrahlung sowie ionisiertes Gas beobachten konnten, das mit einer Geschwindigkeit von mehreren 100 km/s in Form eines Rings um die vermutete Position des mittelschweren Schwarzen Lochs rotiert.

Ein weiteres Indiz für die Anwesenheit eines mittelschweren Schwarzen Lochs ist die ungewöhnlich hohe Dichte des Sternenhaufens, die höher ist als jede andere bekannte Dichte eines Sternenhaufens in unserer Milchstraße. „Es scheint sich bei IRS 13 möglicherweise um einen essentiellen Baustein für das Wachstum unseres zentralen Schwarzen Lochs SgrA* zu handeln“, so Florian Peißker, Erstautor der Studie. „Dieser faszinierende Sternenhaufen überrascht die wissenschaftliche Community immer wieder, seitdem er vor rund zwanzig Jahren entdeckt wurde. Zunächst dachte man, dass es sich um einen ungewöhnlich schweren Stern handelt. Mit den hochaufgelösten Daten können wir nun aber die bausteinartige Zusammensetzung mit einen mittelschweren Schwarzen Loch im Zentrum belegen.“ Geplante Beobachtungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop sowie dem sich im Bau befindenden Extremely Large Telescope werden weitere Einblicke in die Vorgänge innerhalb des Sternenhaufens liefern.

Originalpublikation:
doi.org/10.3847/1538-4357/ad4098
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad4098
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad4098/pdf

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Universität Stuttgart 7. November 2023.

7. November 2023 – Unser Sonnensystem hat zwei bemerkenswert ähnliche Planeten: die Erde und die Venus. Sie sind wahrscheinlich gleich alt, vergleichbar groß und vermutlich aus den gleichen Materialien entstanden. Aber es gibt auch große Unterschiede zwischen beiden Himmelskörpern. Während die Erde einen blauen Himmel, Ozeane mit flüssigem Wasser voller Leben und eine sauerstoffreiche Atmosphäre hat, ist die Venus umgeben von einer dichten Wolkendecke aus Kohlendioxid, Stickstoff und verschiedenen Spurengasen. Ein Team um Heinz-Wilhelm Hübers, Direktor des DLR-Instituts für Optische Sensorsysteme in Berlin konnte nun erstmals direkt die Konzentration des atomaren Sauerstoffs sowohl auf der Tag- als auch auf der Nachtseite der Venusatmosphäre messen.

Die Ergebnisse wurden am 7. November 2023 in der Zeitschrift nature veröffentlicht und basieren auf Beobachtungen der fliegenden Sternwarte SOFIA, ein Gemeinschaftsprojekt der deutschen und der amerikanischen Raumfahrtagentur DLR und NASA. Das Deutsche SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert die SOFIA-Aktivitäten auf deutscher Seite.

In der Atmosphäre der Venus herrschen zwei starke Strömungen vor: Unterhalb von etwa 70 Kilometern gibt es Winde, die in Hurrikanstärke entgegen der Rotationsrichtung der Venus wehen, jedoch strömen oberhalb von 120 Kilometern starke Winde in Rotationsrichtung. Zwischen diesen beiden entgegengesetzten atmosphärischen Strömungen befindet sich eine Schicht von atomarem Sauerstoff. Dieser entsteht durch die UV-Strahlung der Sonne, die das Kohlendioxid und Kohlenmonoxid der Venusatmosphäre in atomaren Sauerstoff und weitere Produkte zerlegt.

Direktes Messverfahren weist atomaren Sauerstoff nach
Bislang konnten Wissenschaftler & Wissenschaftlerinnen atomaren Sauerstoff nur indirekt nachweisen – basierend auf Messungen anderer Moleküle in Kombination mit photochemischen Modellen. Forschende vom DLR-Institut für Optische Sensorsysteme, dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie und der Universität zu Köln ist es im November 2021 erstmals gelungen, die äußerst reaktiven Sauerstoffatome in der Atmosphäre der Venus direkt nachzuweisen. Die Messungen wurden mit dem Terahertz-Spektrometer upGREAT (German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) an Bord von SOFIA durchgeführt. „Sie waren besonders herausfordernd, da die Venus nur an drei Tagen für jeweils circa 20 Minuten mit SOFIA beobachtet werden konnte und zudem nur wenig über dem Horizont stand. Dank der überragenden Messempfindlichkeit von upGREAT und der einzigartigen Fähigkeiten von SOFIA gelang es, eine Karte der Sauerstoffverteilung auf der Venus zu erstellen“, sagt Heinz-Wilhelm Hübers, Erstautor der nature-Veröffentlichung.

Ergebnisse der Messungen
Die Emission der Venus wurde in einem schmalen Frequenzbereich um 4,74 Terahertz (THz) gemessen, was einer Wellenlänge von 63,2 Mikrometern entspricht. Der atomare Sauerstoff in der Venus-Atmosphäre absorbiert diese Strahlung. Das ist vergleichbar mit den Fraunhoferlinien im Sonnenspektrum, die einen Hinweis auf die in der Sonnenatmosphäre befindlichen Atome geben. So entsteht im Terahertzspektrum der Venus eine Absorptionslinie, die charakteristisch für den atomaren Sauerstoff ist. Die Stärke und Form des Absorptionssignals ist ein Maß für die Menge des atomaren Sauerstoffs und für seine Temperatur. „Wir konnten damit zeigen, dass der Sauerstoff auf der Tagseite der Venus gebildet wird und seine Konzentration mit abnehmender Sonneneinstrahlung ebenfalls abnimmt. Auf der Nachtseite deutet eine lokale Konzentrationserhöhung auf eine Anreicherung des atomaren Sauerstoffs in Folge von Windströmungen hin“, erklärt Hübers.

Aus der Temperatur des atomaren Sauerstoffs von etwa -120 Grad Celsius auf der Tagseite bis -160 Grad Celsius auf der Nachtseite lässt sich ableiten, dass er vorwiegend in einer Höhenschicht um 100 Kilometer vorkommt. Seine Konzentration ist damit rund 10-mal geringer als in der Atmosphäre der Erde. „Die Messung dieser deutlichen Unterschiede zur Erde können zukünftig zu einem besseren Verständnis beitragen, warum sich die Erde und ihr Schwesterplanet Venus so unterschiedlich entwickelt haben“, erläutert Bernhard Schulz, SOFIA Science Mission Deputy Direktor der Universität Stuttgart.

Originalveröffentlichung:
Direct detection of atomic oxygen on the dayside and nightside of Venus¸ nature, 7. November 2023, Volume 14, page 1-7; DOI number: 10.1038/s41467-023-42389-x
https://www.nature.com/articles/s41467-023-42389-x
pdf: https://www.nature.com/articles/s41467-023-42389-x.pdf

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA
• Planet Venus

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Quelle: Universität zu Köln 10. Oktober 2023.

10. Oktober 2023 – Ein internationales Team um Dr. Florian Peißker vom Institut für Astrophysik der Universität zu Köln hat einen jungen Sternhaufen in der direkter Umgebung des supermassiven Schwarzen Lochs SagittariusA* (SgrA*) im Zentrum unserer Galaxie im Detail analysiert und gezeigt, dass er deutlich jünger ist als erwartet. Dieser Sternhaufen, bekannt als IRS13, wurde zwar bereits vor über zwanzig Jahren entdeckt, aber erst jetzt ist es durch die Kombination verschiedenster Daten – aufgenommen mit einer Vielzahl von Teleskopen über einen Zeitraum mehrerer Dekaden – gelungen, die Sternhaufenmitglieder im Detail zu bestimmen.

Die Sterne sind einige 100.000 Jahre alt und damit für stellare Verhältnisse außerordentlich jung. Zum Vergleich: unsere Sonne ist ca. 5 Milliarden Jahre alt. Eigentlich sollte es aufgrund der hochenergetischen Strahlung wie auch der Gezeitenkräfte der Galaxie nicht möglich sein, dass sich eine derart große Anzahl so junger Sterne in der direkten Umgebung zum supermassiven Schwarzen Loch befindet. Die Studie wurde unter dem Titel „The Evaporating Massive Embedded Stellar Cluster IRS 13 Close to Sgr A*. I. Detection of a Rich Population of Dusty Objects in the IRS13 Cluster“ im Fachjournal The Astrophysical Journal veröffentlicht.

In Zusammenhang mit der aktuellen Studie wurde zudem ein weiteres herausragendes Ergebnis publiziert. Zum ersten Mal wurde mit dem James Webb-Weltraumteleskop (JWST) ein Spektrum, frei von atmosphärischer Störung, vom galaktischen Zentrum aufgenommen. Ein Prisma an Bord des Teleskops wurde am Institut für Astrophysik in der Arbeitsgruppe um Professor Dr. Andreas Eckart, einem Koauthor der Publikation, entwickelt. Das nun vorliegende Spektrum zeigt, dass sich im galaktischen Zentrum Wassereis befindet. Dieses Wassereis, welches sich häufig in den staubigen Scheiben um sehr junge stellare Objekte befindet, ist ein weiterer unabhängiger Indikator für das junge Alter einiger Sterne nahe des Schwarzen Lochs.

Neben dem unerwarteten Nachweis von jungen Sternen und Wassereis durch das JWST haben die Forscher*innen um Dr. Peißker auch festgestellt, dass IRS13 eine turbulente Entstehungsgeschichte hinter sich hat. Die Studienergebnisse deuten darauf hin, dass IRS13 durch Reibung mit dem interstellaren Medium, Kollisionen mit anderen Sternhaufen oder interner Prozesse in Richtung des supermassiven Schwarzen Lochs wanderte. Ab einer gewissen Entfernung wurde der Sternhaufen dann von der Gravitation des Schwarzen Lochs „eingefangen“. Bei diesem Prozess könnte sich an der Spitze des Sternhaufens eine Bugstoßwelle aus dem Staub gebildet haben, der den Haufen umgibt – ähnlich wie bei der Spitze eines Schiffs im Wasser. Die damit verbundene Dichtezunahme des Staubs regte daraufhin weitere Sternentstehung an. Dies ist eine Erklärung, warum diese jungen Sterne vor allem in der Spitze bzw. Front des Sternhaufens zu finden sind.

„Die Analyse von IRS13 sowie die damit einhergehende Interpretation des Sternhaufens ist der erster Versuch, ein Jahrzehnte altes Rätsel über die unerwartet jungen Sterne im galaktischen Zentrum zu lüften“, so Dr. Peißker. „Denn neben IRS13 gibt es einen Sternhaufen, den sogenannten S-cluster, der sich noch näher am Schwarzen Loch befindet und ebenfalls aus jungen Sternen besteht. Sie sind ebenfalls deutlich jünger als es nach akzeptierten Theorien möglich wäre.“

Die gewonnen Erkenntnisse über IRS13 bieten in weiterer Forschungsarbeit die Gelegenheit, eine Verbindung zwischen der direkten Umgebung des Schwarzen Lochs und Regionen in mehreren Lichtjahren Entfernung herzustellen. Dr. Michal Zajaček, Zweitautor der Studie und Wissenschaftler an der Masaryk-Universität in Brünn (Tschechien), fügt hinzu: „Der Sternhaufen IRS13 scheint der Schlüssel zu sein, um den Ursprung der dichten Sternpopulation im Zentrum unserer Galaxie zu enträtseln. Wir haben umfangreiche Beweise dafür gesammelt, dass sehr junge Sterne in der Reichweite des supermassereichen Schwarzen Lochs in Sternenhaufen wie IRS13 entstanden sein könnten. Dies ist auch das erste Mal, dass wir Sternpopulationen unterschiedlichen Alters – heiße Hauptreihensterne und noch junge entstehende Sterne – in dem Haufen so nahe am Zentrum der Milchstraße unterscheiden können.“

Publikation:
DOI 10.3847/1538-4357/acf6b5
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acf6b5
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acf6b5/pdf

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• Sternhaufen

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Quelle: Universität zu Köln 25. Juli 2023.

25. Juli 2023 – Von der Erde über ferne Exoplaneten bis hin zum Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße: Das Ausstellungsschiff MS Wissenschaft nimmt seine Besucher*innen unter dem Motto „Wissenschaftsjahr 2023 – Unser Universum“ mit auf eine Reise durch den Kosmos. Mehrere der über 30 interaktiven Exponate an Bord werden von Forschungseinrichtungen aus der Region zur Verfügung gestellt.

Am Exponat der Universität zu Köln wird veranschaulicht, wie mit Infrarotteleskopie die Entstehung von Planeten, Sternen und Galaxien beobachtet werden kann. Zu sehen sind verkleinerte Modelle von Observatorien, die in Zukunft von Astronom*innen zur Erforschung des unsichtbaren Infrarot-Universums genutzt werden sollen und ähnlich wie das James Webb Weltraumteleskop eindrucksvolle Bilder und Einblicke geben werden. Allerdings von der Erde aus.

Termin:
Montag 31. Juli bis Mittwoch 2. August 2023, 10 bis 19 Uhr
MS Wissenschaft „Wissenschaftsjahr 2023 – Unser Universum“
Anlegestelle: Mülheim, Kohlplatz, Höhe Peter-Müller-Straße
Kostenlose Führungen durch die Ausstellung: Täglich 11 und 17 Uhr

„Wir wollen den Besucherinnen und Besuchern des Wissenschaftsschiffs vermitteln, welcher technische Aufwand nötig ist, um mehr über die Weiten des Alls zu erfahren“, sagt Professor Dr. Lucas Labadie. Die Forschung seiner Arbeitsgruppe trägt zum Bau des METIS-Instruments des „Extremely Large Telescope“ bei. Das nur circa 15 Zentimeter große Ausstellungsmodell des „Extremely Large Telescope“ hat im Original eine Höhe von 80 Metern. Das entspricht etwa der Höhe des Kölner Messeturms. Der Hauptspiegel des Teleskops wird einen Durchmesser von 40 Meter haben und 15 Mal mehr Licht sammeln als sein Vorgängermodell, das „Very Large Telescope“.

Die Gruppe des Astrophysikers Professor Dr. Dominik Riechers spielt eine zentrale Rolle im Aufbau des CCAT/FYST Submillimeter-Teleskops. Dieses ist auch als Modell zu sehen und wird nächstes Jahr in 5600 Meter Höhe auf dem Cerro Chajnantor in der chilenischen Atacama-Wüste in Betrieb genommen. Es wird das weltweit höchste Observatorium seiner Art. „Durch die dünne Atmosphäre in dieser Höhe und die Trockenheit der Wüste werden Beobachtungen in diesem Bereich erst möglich und werden nicht mehr durch den Wasserdampf der Atmosphäre gestört,“ erklärt Professor Riechers.

Zusätzlich zeigt die Ausstellung, wie sich unterschiedliche wissenschaftliche Disziplinen von der Astrophysik bis zur Kunstgeschichte mit dem Weltraum beschäftigen. So illustrieren die verschiedenen Exponate, wie vielfältig die Erforschung des Universums ist und welche Erkenntnisse aus der Wissenschaft auch eine Bedeutung für unseren Alltag haben.

Die MS Wissenschaft tourt im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung durch Deutschland. Wissenschaft im Dialog (WiD) realisiert die Ausstellung mit Unterstützung der hinter WiD stehenden Wissenschaftsorganisationen. Die Exponate kommen direkt aus der Forschung und werden zur Verfügung gestellt von Instituten wie der Fraunhofer-Gesellschaft, der Helmholtz-Gemeinschaft, der Leibniz-Gemeinschaft, der Max-Planck-Gesellschaft und DFG-geförderten Projekten, Hochschulen sowie weiteren Partnern. Die Ausstellung wird für Besucher*innen ab zwölf Jahren empfohlen.

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• Raumfahrt-Museen und Ausstellungen

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Quelle: Universität zu Köln 27. Juni 2023.

27. Juni 2023 – Das James Webb-Weltraumteleskop hat das Kohlenwasserstoffmolekül CH₃⁺ in einem 1500 Lichtjahre entfernten, neu entstehenden Sonnen- und Planetensystem entdeckt. CH₃⁺ ist ein elementares Kohlenwasserstoffmolekül, das zwar nicht mit dem überall vorkommenden Wasserstoff (H₂), dafür aber mit anderen Molekülen reagiert und somit zur Bildung sehr viel komplexerer Moleküle im Weltall beitragen kann.
Seit den 1970er Jahren wird CH₃⁺ im Weltraum vorhergesagt. Nun konnte es anhand seines spektralen „Fingerabdrucks“ im Infrarotbereich auch empirisch nachgewiesen werden. Die Beobachtungen zeigen, dass CH₃⁺ aufgrund der starken UV-Strahlung benachbarter Sonnen im Orionnebel unserer Galaxie entsteht. Auch Beiträge von Kölner Forschenden, insbesondere Labormessungen des spektralen Fingerabdrucks, trugen zu dem Ergebnis bei. Der Fund wurde in der Fachzeitschrift Nature unter dem Titel „Detection of the Methyl Cation Formed by UV Driven Gas-Phase Organic Chemistry“ veröffentlicht.

Diese Entdeckung hat weitreichende Folgen für das Verständnis der Chemie und Entstehung der Moleküle im All. Insbesondere liefert der Fund neue Informationen über Details der Entstehung unseres eigenen Sonnensystems.

Mittels der modernen Astronomie weiß man, dass Moleküle, wie z.B. Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O), in großer Zahl im Weltraum entstehen. Jedes dieser Moleküle hat ein individuelles Spektrum, ähnlich einzigartig wie ein menschlicher Fingerabdruck. Ist der spektroskopische „Fingerabdruck“ eines Moleküls erst einmal im Labor genommen, kann das Molekül auch im Weltraum entdeckt werden – in Regionen wie unserer Milchstraße bis hin zu weit entfernten Galaxien. Diese charakteristischen Fingerabdrücke liegen meistens im Bereich der Radio- bzw. Wärmestrahlung (Infrarotbereich), und können mit entsprechenden Teleskopen beobachtet werden.

Unter den Molekülen spielen Kohlenwasserstoffe (Moleküle bestehend aus Kohlenstoff – C – und Wasserstoff – H) eine besondere Rolle, weil sie unter anderem als Vorläufer von Biomolekülen fungieren können. Biomoleküle sind organische Substanzen, die die Grundlage von Lebewesen formen. CH₃⁺ ist ein elementares Kohlenwasserstoffmolekül und ein Baustein komplexerer Moleküle. Bisher konnte CH₃⁺ im All nicht nachgewiesen werden, weil es aufgrund seines symmetrischen dreieckigen Aufbaus keine Radiostrahlung, sondern nur Infrarotstrahlung aussendet. Ein geeignetes Infrarotteleskop fehlte bisher jedoch.

Der Start des James Webb Space Telescope (JWST), das im Infrarotbereich misst, sowie seine Inbetriebnahme im Sommer 2022 haben diesen Fund und viele weitere Entdeckungen nun ermöglicht. Das JWST gilt als Nachfolger des ebenso bahnbrechenden Hubble Weltraumteleskops. Die Beobachtungsschärfe und die hohe Empfindlichkeit des neuen Teleskops, insbesondere bei langen Wellenlängen, eröffnen neue, einmalige Beobachtungsmöglichkeiten.

Verschiedene Gruppen am Kölner Institut für Astrophysik haben zum aktuellen Forschungsergebnis beigetragen, auch durch den Bau einiger JWST-Spektrometer-komponenten (AG Professor Dr. Andreas Eckart). Ein anderes Team, die Kölner Submillimeter-Astrophysik Gruppe, untersucht seit langem die Physik und Chemie des Orionnebels. Die Beobachtungen mit dem JWST wurden von Privatdozent Dr. Markus Röllig und Dr. Yoko Okada mitentworfen und -ausgewertet.

Experimente der Laborastrophysikgruppe (AG Professor Dr. Stephan Schlemmer) machten es möglich, CH₃⁺ zu identifizieren. Die Gruppe beschäftigt sich mit Molekülspektroskopie, bei der sie die spektralen Fingerabdrücke der Moleküle im Labor im Radio- und Infrarotbereich misst, ohne die eine Identifizierung im Weltall nicht möglich wäre. Das CH₃⁺ Molekül wurde schon 2018 unter der Leitung von Professor Schlemmer und Privatdozent Dr. Oskar Asvany in einer sogenannten kalten Ionenfalle untersucht. Dazu wurden im Experiment einige Tausend CH₃⁺ Ionen festgehalten und mit einem Infrarotlaser bestrahlt. So konnte die genaue spektrale Position der infraroten Fingerabdrücke dieses Moleküls bestimmt werden, die das JWST nun beobachtet hat. Oskar Asvany: „Es ist schön zu sehen, dass die vor fünf Jahren gewonnenen Daten zu CH₃⁺, die bisher eher ein Nischendasein führten, durch die JWST-Daten so bedeutend geworden sind.“ Stephan Schlemmer fügt hinzu: „Das ermutigt uns und andere Gruppen weltweit, dieses besondere Molekül in Zukunft noch genauer zu untersuchen.“

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• JWST – James Webb Space Telescope

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Quelle: DLR.

3. Februar 2022 – Wie verhält sich frisch gegossener Beton in der Schwerelosigkeit? Und wie kann dies zum Umweltschutz auf der Erde beitragen? Der deutsche ESA-Astronaut Matthias Maurer hat Anfang Februar 2022 auf der Internationalen Raumstation ISS Antworten auf diese Fragen gesucht. Das Experiment „MASON / Concrete Hardening“ ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), der Universität zu Köln und der Universität Duisburg-Essen.

Der weltweite Kohlenstoffdioxid (CO₂)-Ausstoß beträgt rund 38 Gigatonnen (38.000.000.000 Tonnen). Davon entstehen allein drei Gigatonnen bei der Herstellung von Zement. Zement wiederum ist der wesentliche Bestandteil von Beton, dem derzeit wichtigsten Baumaterial. Gelingt es, die Verwendung von Beton durch moderne Verfahren zu optimieren, leistet dies einen Beitrag zur Verbesserung der Klimabilanz.

„Das Material Beton ist der Menschheit seit tausenden Jahren bekannt und hält doch immer noch Rätsel für uns bereit. Einen Teil dieser Fragen wollen wir mit Matthias Maurer auf der ISS klären“, sagt Prof. Matthias Sperl vom DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum.

Warum wird Beton auf der ISS erforscht?
Beton ist kein Werkstoff, den man mit der Raumfahrt in Verbindung bringt. Doch eröffnet die Raumfahrt an Bord der ISS durch die dauerhafte Schwerelosigkeit Einblicke in das Verhalten von Materialien, die in irdischen Laboren nur sehr begrenzt möglich sind.

Für die Festigkeit von Beton ist neben dem Mischverhältnis und Verstärkungen (Armierung) das Aushärten des Materials entscheidend. Der Prozess des Aushärtens entscheidet über die Anordnung der Bestandteile im Inneren des Betons sowie über die Verteilung von eingeschlossenen Luftblasen.

Die Aushärtung wird auf der Erde stark von der Gravitation beeinflusst. Für die Materialforschung ist es daher von großem Interesse zu untersuchen, wie sich diese Mischung aus versintertem Kalk und Ton plus Sand und Wasser ohne diesen Einfluss verhält. Dadurch lassen sich chemische und physikalische Prozesse besser verstehen. Diese Erkenntnisse können für optimierte Mischverhältnisse verwendet werden, die schließlich wertvolle Ressourcen einsparen.

Der Erstarrungs- und Trocknungsprozess des Betons kann Wochen und Monate dauern. Aus diesem Grund ist die Forschung auf der Internationalen Raumstation ISS so wichtig, denn nur hier herrschen dauerhaft die gleichen Bedingungen von Null-Gravitation (G).

Die bei den Experimenten von Matthias Maurer gewonnenen Daten liefern auch die Basis und Referenzwerte für weitere Untersuchungen in irdischen Laboren. Hier wird für kürzere Zeit eine künstliche Schwerelosigkeit in sogenannten „Klinostaten“ erzeugt.

„Wenn es uns gelingt, die Schwerelosigkeit zu simulieren, könnte zukünftig zusätzlich eine Vielzahl von Versuchen schneller, einfacher und kostengünstiger durchgeführt werden“, erklärt Prof. Martina Schnellenbach-Held vom Institut für Massivbau (IfM) der Universität Duisburg-Essen. Sie und ihr Team haben das Experiment möglich gemacht: Mit der Entwicklung eines speziellen Betonmischers, der die strengen Sicherheitsvorkehrungen für die ISS erfüllt. Dieser ist gerade einmal so groß wie eine Hand – der Beton wird manuell gemischt.

Wie baut man auf Mond und Mars?
„MASON“ (Materialforschung in Schwerelosigkeit an Beton) hat trotz der irdischen Anwendungen eine kosmische Komponente. Wenn die Menschheit ihre Pläne zum Aufbau einer permanenten Präsenz auf dem Mond oder dem Mars realisiert, müssen die Stationen aus solidem Material gebaut sein. Dies dient in erster Linie dem Schutz vor Kleinstmeteoriten und der kosmischen Strahlung.

Die für Bauprojekte auf der Erde angewandten Formeln zur Berechnung der Statik von Gebäuden gehen immer von der Erdanziehungskraft von 1 G aus. Auf dem Mond ist die Gravitation allerdings bei einem Sechstel G und es ist nicht gesichert, dass eine simple Umrechnung zu einem stabilen Bauwerk führen würde. Daher sind die im Rahmen von MASON gewonnen Daten im wahrsten Wortsinn ein wichtiger Baustein.

Auf Mond und Mars stehen wesentliche Bestandteile von Beton nicht zur Verfügung, daher untersucht Astronaut Maurer auch Proben, die aus künstlich hergestelltem Mondstaub bestehen.

Beteiligungen:
Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR fördert mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) die wissenschaftliche Arbeit an der Universität zu Köln und der Universität Duisburg Essen.

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• **ISS** Forschung & Forschungseinrichtungen

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