Quelle: Universität Zürich 24. September 2024.

24. September 2024 – Der neue Standort im Innovationspark Zürich bietet die Chance, ein einzigartiges Weltraum-Ökosystem aufzubauen, das Forschung, Technologie und Wirtschaft verknüpft und den Weg für zukünftige Innovationen ebnet.

Die Erkundung des Weltraums hat das Wissen über das Universum, aber auch über die Erde und den Menschen in den letzten Jahrzehnten enorm erweitert. Treiber dahinter waren vornehmlich staatlich geförderte, internationale Kooperationen und heute zunehmend auch private Raumfahrtunternehmen. Der Kanton Zürich hat sich dieses Jahr zum Ziel gesetzt, seine Innovationskraft im Thema Raumfahrt zu stärken. «Mit ihrer Forschungsstärke, ihrer interdisziplinären Expertise und ihren internationalen Kooperationen ist die Universität Zürich prädestiniert, dazu einen entscheidenden Beitrag zu leisten», sagt Regierungsrätin Silvia Steiner anlässlich der Medienkonferenz zum UZH Space Hub. Dieser bündelt seit 2018 die Luft- und Raumfahrtaktivitäten der Universität Zürich (UZH) und ist vor kurzem in die Halle 4 im Innovationspark Zürich eingezogen.

Multiperspektivische Annäherung an den Weltraum
Die wichtigsten Forschungsschwerpunkte des UZH Space Hub umfassen Fernerkundung und Erdbeobachtung, Astrophysik, Space Life Science sowie die autonome Navigation von Drohnen. Einbezogen werden aber weit mehr als nur technische oder naturwissenschaftliche Fragen, sondern auch ethische, philosophische und theologische – selbst in den Filmwissenschaften ist das All Gegenstand von Forschung. «Die Vielfalt der Themen zeigt, dass der Weltraum und die Erde multiple Aspekte des menschlichen Daseins umfassen, mit denen sich Naturwissenschaftlerinnen ebenso wie Geistes- und Sozialwissenschaftler auseinandersetzen. Als grösste Schweizer Volluniversität möchten wir möglichst viele dieser Dimensionen in die Erkundung des Weltraums und der Erde einbringen und mittels interdisziplinärer Arbeit gewinnbringend verknüpfen», betont UZH-Rektor Michael Schaepman.

Blick auf die Erde und ins Universum
Dies geschieht etwa in der Fernerkundung, wo UZH-Forschende mittels modernster Sensortechnik auf Flugzeugen, Drohnen und Satelliten detaillierte Daten über Umweltbedingungen und atmosphärische Prozesse sammeln. Auf diese Weise lässt sich zum Beispiel Biodiversität quantifizieren oder die Veränderung in der Zusammensetzung von Pflanzengemeinschaften überwachen. Diese Erkenntnisse tragen dazu bei, den menschlichen Einfluss auf regionale, aber auch globale Ökosysteme zu verstehen, und dienen als Basis, um Schutz- oder Anpassungsstrategien für Umwelt und Klima zu entwickeln. Dank dem direkten Zugang zum Flugplatz Dübendorf können die benötigten Sensoren und Daten gleich vor Ort verbessert und verarbeitet werden, bevor sie später in weiteren Forschungsprojekten oder Satelliten zum Einsatz kommen.

Die umgekehrte Blickrichtung – von der Erde ins All – nehmen UZH-Forschende in der Astrophysik ein. Sie ergründen die grossen Fragen des Universums: Wie entstehen und entwickeln sich Planeten, Sterne und Galaxien? Mit Beobachtungsdaten und Simulationen, unterstützt durch modernste Hochleistungsrechner, widmen sie sich den Rätseln um Dunkle Materie, Dunkle Energie und ihren Einfluss auf die Expansion des Kosmos. Über ihre Beteiligung an bedeutenden internationalen ESA- und NASA-Missionen wie EUCLID, LISA, ARRAKIHS oder JUNO tragen sie massgeblich zum Verständnis kosmologischer Phänomene sowie zur internationalen Vernetzung bei.

Der Weltraum als Werkstatt
In den Space Life Sciences wiederum ergründen Forschende des UZH Space Hub die fundamentalen Auswirkungen der Schwerkraft. Im Zuge des im Innovationspark Zürich initiierten Schweizer Parabelflugprogramms oder auf der International Space Station (ISS) erforschen sie, wie zelluläre und molekulare Prozesse unter Erd- und Mikrogravitationsbedingungen ablaufen und wie sich Schwerkraft auf Körperfunktionen und genetische Stabilität auswirkt. Dabei haben sie ein Verfahren entwickelt, das Schwerlosigkeit als hochwirksames Werkzeug einsetzt, um dreidimensionale Gewebe herzustellen. Auf der Erde gelingt dies ohne aufwändige Stützskelette nur zweidimensional. Das UZH-Spin-off Prometheus Life Technologies AG züchtet auf diese Weise aus adulten menschlichen Stammzellen sogenannte Organoide, die dereinst etwa in der Präzisions- und Transplantationsmedizin verwendet werden könnten.

Inkubator für Forschung, Technologie und Innovation
Jungunternehmen wie Prometheus Life Technologies können die Infrastruktur des UZH Space Hub mitnutzen: In der Halle 4 lassen sich Fluglabor-, Werkstatt- und Büroflächen mieten sowie Testungen in hochmodernen Labors durchführen. Letzteres ist für Start-ups besonders attraktiv, da die Einrichtung eines eigenen Labors die finanziellen Möglichkeiten meist weit übersteigt. «Der UZH Space Hub möchte einen Rahmen dafür schaffen, dass Wissen geteilt, Synergien genutzt und Neues erforscht, entdeckt und entwickelt werden kann», sagt Oliver Ullrich, Direktor des UZH Space Hub. Er ist überzeugt, dass der erdnahe Orbit mit dem Ende der ISS im Jahr 2030 im Zuge einer neuen Weltraumwirtschaft noch viel intensiver genutzt werden wird – nicht nur als Forschungs-, sondern auch als Produktionsstätte.

UZH-Forschung bildet Fundament einer Wertschöpfungskette
Die Integration in den Innovationspark Zürich mit bereits bestehendem Fokus auf Luft- und Raumfahrt, die Anbindung an den Flugplatz Dübendorf, dies alles in nächster Nähe zur Hochschul- und Wirtschaftsmetropole Zürich, wo sich neben der ETH Zürich weitere Institutionen und Firmen von Weltruf befinden, bietet laut Ullrich ein einzigartiges Setting, um ein Weltraum-Ökosystem zu entwickeln. Dieses soll weitere Akteure aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt anziehen: von Forschungsinstitutionen über Start-ups, KMUs bis hin zu etablierten und global agierenden Unternehmen aus den Bereichen Space und Aviation. «Die UZH legt mit ihren hervorragenden Forschungsleistungen ein stabiles Fundament und bildet dank ihrer starken Vernetzung zugleich ein Scharnier zwischen Wissenschaft und Entwicklung, Technologie und Wirtschaft», so Ullrich. «Wir sind Teil einer Wertschöpfungskette, indem wir Wissen generieren, weitergeben und über Innovationen schliesslich für die Gesellschaft nutzbar machen.»

Factsheet zum UZH Space Hub
https://www.news.uzh.ch/dam/jcr:4b81b6c2-7ef9-44c4-b093-08eaad8d83e7/Factsheet_SpaceHub.pdf

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• Raumfahrtaktivitäten an Universitäten

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Quelle: Universität Zürich 5. August 2024.

5. August 2024 – Der Ursprung supermassereicher Schwarzer Löcher in den Zentren von Galaxien ist eines der grössten Rätsel der Astronomie. Diese Objekte könnten entweder bereits früh im Universum mit grosser Masse entstanden sein oder im Laufe der Zeit durch das Ansammeln von Materie und durch die Verschmelzung mit anderen Schwarzen Löchern gewachsen sein. Wenn ein supermassereiches Schwarzes Loch ein anderes massereiches Schwarzes Loch verschlingt, entstehen Gravitationswellen, die sich als kleine Erschütterungen in der Raumzeit durch das Universum bewegen.

Detektion massereicher Schwarzer Löcher als Herausforderung
Vor knapp zehn Jahren gelang Astrophysikern zum ersten Mal der direkte Nachweis von Gravitationswellen, welcher der Astronomie ein neues Fenster ins Universum öffnete. Bisher konnten diese Gravitationswellen jedoch nur von relativ kleinen Schwarzen Löchern gemessen werden, die Überreste sterbender Sterne sind und somit das Endstadium schwerer Sterne darstellen. Das Erkennen der Signale von Paaren weitaus schwerer Schwarzer Löcher ist mit heutiger Technologie nicht möglich, da die Detektoren nicht empfindlich genug auf die extrem niedrigen Frequenzen dieser Gravitationswellen reagieren. Zukünftige Missionen wie die von der ESA geleitete LISA (Laser Interferometer Space Antenna) sollen dies ändern. Dennoch bleibt die Detektion der massereichsten Schwarzen Loch Paare eine grosse Herausforderung.

Hohe Frequenzen nutzen, um niedrigere Frequenzen zu messen
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung ehemaliger Studenten der Universität Zürich schlägt eine neuartige Methode vor, um Paare der grössten Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien zu entdecken. Diese Methode nutzt die Analyse von Gravitationswellen kleiner nahegelegener Schwarzer Löcher, welche die Überreste sterbender Sterne sind. Diese neue Beobachtungstechnik erfordert einen Gravitationswellendetektor im Dezihertz-Bereich und könnte das Studium supermassereicher Schwarzer Löcher ermöglichen, die ansonsten unentdeckt bleiben würden.

«Unsere Idee funktioniert im Grunde wie das Hören eines Radiosenders. Wir schlagen vor, das Signal von Paaren kleiner Schwarzer Löcher ähnlich wie Radiowellen zu nutzen. Die supermassereichen Schwarzen Löcher verhalten sich dabei ähnlich wie die Radiomusik, die in Form einer Frequenzmodulation (FM) des empfangenen Signals übertragen wird», erklärt Jakob Stegmann, Hauptautor der Studie, die er als Gaststudent an der Universität Zürich begann und als Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Astrophysik fortführte. «Das Neue an dieser Idee ist, hohe Frequenzen zu nutzen, die leicht zu erkennen sind, um niedrigere Frequenzen zu messen, die unsere Instrumente eigentlich nicht detektieren können.»

Ein Leuchtfeuer zeigt grössere Schwarze Löcher an
Aktuelle Ergebnisse dieser pulsar timing arrays unterstützen bereits die Existenz von verschmelzenden supermassereichen Schwarzen Loch-Paaren. Diese Beweise sind jedoch indirekt und resultieren aus dem kollektiven Signal vieler entfernter Paare, die effektiv ein Hintergrundrauschen erzeugen.

Die vorgeschlagene Methode zur Detektion einzelner supermassereicher Schwarzer Loch-Paare nutzt die subtilen Veränderungen, die sie in den von einem Paar nahegelegener kleiner Schwarzer Löcher emittierten Gravitationswellen verursachen. Diese wirken somit als eine Art Leuchtfeuer, das die Existenz der grösseren Schwarzen Löcher anzeigen. Durch die Erkennung der winzigen Modulationen in den Signalen der kleinen Schwarzen Löcher könnten Wissenschaftler selbst über grosse Entfernungen hinweg bisher verborgene Paare supermassereicher Schwarzer Löcher mit Massen von 10 Millionen bis 100 Millionen Sonnenmassen identifizieren.

Lucio Mayer, Mitautor der Studie und Theoretiker für Schwarze Löcher an der Universität Zürich, fügt hinzu: «Da der Weg für LISA nun feststeht, nachdem die ESA die Mission im letzten Januar bestätigt hat, muss die wissenschaftliche Gemeinschaft die beste Strategie für die nächste Generation von Gravitationswellendetektoren ausloten, insbesondere in welchem Frequenzbereich man sich konzentrieren sollte. Studien wie diese liefern eine starke Motivation, ein Detektordesign im Dezihertz-Bereich zu priorisieren.»

Publikation:
Stegmann J.; Zwick L.; Vermeulen S. M.; Antonini F.; Mayer L. Imprints of massive black-hole binaries on neighbouring decihertz gravitational-wave sources. Nature Astronomy, 5 August 2024. doi:10.1038/s41550-024-02338-0 (2024).
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02338-0
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-024-02338-0.pdf

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• Gravitationswellen

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Quelle: Universität Zürich 14. Juni 2023.

14. Juni 2023 – Etwa ein Viertel der weltweiten Kohlenstoffemissionen werden durch Wälder, Gras- und Weideland gebunden. Pflanzen speichern mit Hilfe der Photosynthese Kohlenstoff in ihren Zellwänden und im Boden. Etwa die Hälfte des Bodenkohlenstoffs befindet sich in den tieferen Bodenschichten, in mehr als 20 Zentimetern Tiefe. Doch auch diese Schichten werden durch den Klimawandel erwärmt.

Verlust von entscheidenden Kohlenstoffspeichern
Die Erwärmung führt zu einem erheblichen Verlust jener organischen Verbindungen, die den Pflanzen helfen, Kohlenstoff in ihren Blättern und in ihren Wurzeln zu speichern. Bisher gingen Wissenschaftler davon aus, dass diese chemisch stabileren Verbindungen dem natürlichen Abbau länger widerstehen und somit Kohlenstoff im Boden speichern. Die Studie unter der Leitung von Forschenden des Geographischen Instituts der UZH zeigt nun, dass Lignin, das den Pflanzen Steifigkeit verleiht, um 17% reduziert war. Cutin und Suberin – wachsartige Verbindungen in Blättern, Stängeln und Wurzeln, die die Pflanzen vor Krankheitserregern schützen –, waren fast 30% weniger vorhanden. Selbst der pyrogene, organische Kohlenstoff, der nach einem Waldbrand zurückbleibt, war deutlich weniger vorhanden.

Die Experimente wurden in den Wäldern der kalifornischen Sierra Nevada durchgeführt. Der Boden wurde während 4,5 Jahren in einer Tiefe von einem Meter künstlich um 4 Grad Celsius aufgeheizt, einschliesslich der Tages- und Jahreszeitenzyklen. Diese Erwärmung entspricht den Prognosen eines Klimaszenarios bis zum Ende des Jahrhunderts, bei dem die Erwärmung wie bisher unverändert weitergeht.

Folgen für die Nutzung von Böden gegen globale Erwärmung
Diese Erkenntnis hat grosse Bedeutung für eine der Schlüsselstrategien im Kampf gegen die globale Erwärmung, nämlich auf Böden und Wälder als natürliche Kohlenstoffsenken zu setzen. Dazu werden unter anderem Nutzpflanzen mit besonders tiefen Wurzeln und korkreicher Biomasse entwickelt. «Bisher ging man davon aus, dass damit CO₂ im Boden zurückgehalten werden kann», sagt Michael W. Schmidt, UZH-Professor für Geographie und Letztautor der Studie. «Unsere Ergebnisse zeigen jedoch, dass alle Bestandteile des Bodenhumus gleichermassen weniger werden, einfache chemische Stoffe genauso wie komplexe Bestandteile. Wenn sich diese ersten Beobachtungen auch in längerfristigen Feldexperimenten bestätigen, hätte das erschreckende Konsequenzen.» Verliert der Waldboden massiv an Bodenhumus und setzt dieser Kohlenstoff als CO₂ frei, beschleunigt das die Erwärmung weiter. «Die Emissionen an der Quelle zu stoppen, muss unser Ziel sein», so Schmidt.

Literatur:
Zosso, C.U., Ofiti, N.O.E., Torn, M.S. et al. Rapid loss of complex polymers and pyrogenic carbon in subsoils under whole-soil warming. Nature Geoscience. 16, 344–348 (2023). Doi: 10.1038/s41561-023-01142-1
https://www.nature.com/articles/s41561-023-01142-1
pdf: https://www.nature.com/articles/s41561-023-01142-1.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: Universität Zürich 19. Mai 2022.

Zürich, 19. Mai 2022 – Um bedrohte Ökosysteme zu schützen, zerstörte Lebensräume wiederherzustellen und den globalen Verlust der Artenvielfalt zu stoppen, braucht es international vergleichbare Daten zur biologischen Vielfalt. Doch das Biodiversitätsmonitoring ist arbeitsintensiv und kostspielig. Zudem gibt es weltweit viele nur schwer zugängliche Gebiete, was die Bestandsaufnahme der Artenvielfalt schwierig macht.

Biodiversitäts-Monitoring per Satellit aus dem All ist möglich
Anna Schweiger vom Labor für Fernerkundung am Geografischen Institut der Universität Zürich (UZH) und Etienne Laliberté von der Universität Montréal zeigen nun, dass die Pflanzen-Biodiversität in unterschiedlichen Ökosystemen mit Hilfe der bildgebenden Spektrometrie zuverlässig bestimmt werden kann. Die untersuchten Ökosysteme reichen von der arktischen Tundra bis in tropische Wälder. «Wir hoffen, mit unserer Studie einen Beitrag zu leisten, um Veränderungen in der Artenzusammensetzung der Ökosysteme unserer Erde zukünftig auch aus dem All zu erkennen. Ziel ist, politische Maßnahmen zum Artenschutz bzw. zur Milderung negativer Konsequenzen des Biodiversitätsverlusts auf Basis wissenschaftlicher Evidenz zu steuern», sagt Erstautorin Anna Schweiger.

Bildspektrometer messen die Reflektion von Licht vom sichtbaren bis zum kurzwelligen Infrarot-Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Wieviel Licht die Pflanzen reflektieren, wird von ihren chemischen, anatomischen und morphologischen Merkmalen bestimmt, die für die Interaktionen zwischen Pflanzen sowie mit ihrer Umgebung ausschlaggebend sind. «Deshalb besitzen Pflanzen mit ähnlichen Merkmalen sowie nahe verwandte Arten tendenziell auch ähnliche Reflektionsspektren», so Schweiger.

Mit reflektiertem Licht Einzelpflanzen und Pflanzengemeinschaften bestimmen
Zuerst entwickelten die Forschenden einen sogenannten spektralen Diversitätsindex. Dieser berechnet, wie stark sich einzelne Pflanzen innerhalb von Pflanzengemeinschaften sowie einzelne Pflanzengemeinschaften untereinander in einem bestimmten Gebiet unterscheiden. Bei der Vielfalt innerhalb von Pflanzengemeinschaften spricht man von Alpha-Diversität, während die Vielfalt zwischen Pflanzengemeinschaften als Beta-Diversität bezeichnet wird.

Für die Studie verwendeten sie Daten des National Ecological Observatory Networks (NEON). Das Netzwerk sammelt mit standardisierten Methoden Biodiversitäts- und Erdbeobachtungsdaten in Gebieten, die über die gesamten Vereinigten Staaten verteilt sind, und stellt diese der Wissenschaft öffentlich zur Verfügung. Die NEON-Bildspektrometer-Daten, die anhand von Forschungsflügen gesammelt werden, haben eine Pixelgrösse von 1×1 Meter.

Die Berechnungen der spektralen Vielfalt ergaben, dass die Erfassung der Alpha-Diversität von der Grösse der Pflanzen abhängt. Im Vergleich zum offenen Grasland, wo kleine, krautige Pflanzen und Grässer vorherrschen, stimmte in Wald-Ökosystemen mit geschlossenem Kronendach die anhand der Reflexionsspektren berechnete Diversität besser mit der effektiv am Boden ermittelten Pflanzenvielfalt überein. Aggregierten die Forschenden jedoch die NEON-Bildspektrometer-Daten zu einer Pixelgröße von 20×20 Meter, so fanden sie in allen untersuchten Ökosystemen Übereinstimmungen zwischen spektraler und pflanzlicher Beta-Diversität. Diese Pixelgröße entspricht der Grösse der Probeflächen, auf denen vor Ort Vegetationsaufnahmen gemacht werden.

Weltweite biologische Vielfalt fast in Echtzeit überwachen
Sowohl die Europäische Raumfahrtbehörde ESA wie auch ihr nordamerikanisches Pendant NASA entwickeln derzeit satellitengestützte Bildspektrometer. Diese sollen rund alle 16 Tage den gesamten Erdball mit einer Pixelgröße von rund 30×30 Meter abbilden und es ermöglichen, Veränderungen in Ökosystemen zu detektieren, währenddem sie stattfinden. «Unsere Studie hilft, in absehbarer Zukunft Veränderungen in der Biodiversität von Pflanzengemeinschaften effektiv und zuverlässig per Satellit zu ermitteln. Mit gezielten Feldarbeiten könnten dann Ursachen und Folgen analysiert und so hoffentlich negativen Folgen rechtzeitig entgegengewirkt werden», sagt Anna Schweiger. Dies ebne, so Schweiger, den Weg für eine globale Überwachung der biologischen Vielfalt – nahezu in Echtzeit.

Literatur:
Anna K. Schweiger, Etienne Laliberté. Plant beta-diversity across biomes captured by imaging spectroscopy. Nature Communications. 19 Mai 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-30369-6
https://www.nature.com/articles/s41467-022-30369-6

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• Planet Erde

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Quelle: Universität Zürich.

8. Februar 2022 – Die Schweiz erlebte im letzten Winter heftige Schneefälle: Züge und Trams fielen aus und Bäume brachen unter der Schneelast. In den vergangenen Tagen fiel auch an der US-Ostküste ungewohnt viel Schnee bei sehr niedrigen Temperaturen bis hinunter nach Florida. In Ostasien werden Wintereinbrüche dieser Art durch wärmere arktische Winter ausgelöst, wie ein internationales Team von Forschenden aus der Schweiz, Korea, China, Japan und Großbritannien zeigt. Die kühleren Winter im Süden schwächen nicht nur die Vegetationsaktivität in den immergrünen Subtropen, sondern beeinträchtigen die Ökosysteme bis in den Frühling hinein, etwa aufgrund von abgebrochenen Ästen oder Frostschäden an Blättern. «Die kühleren Winter schränken die Produktivität der Wälder ein, das heißt sie nehmen weniger CO2 aus der Luft auf», erklärt Erstautor Jin-Soo Kim vom Institut für Evolutionsbiologie und Umweltstudien der UZH. «Darüber hinaus verringern sie die landwirtschaftlichen Erträge bei Getreide, Obst, Wurzelgemüse und Hülsenfrüchten.»

Zusammenhängende Wettervorgänge weit voneinander entfernter Gebiete
Die Wissenschaftler kombinierten Erdsystemmodelle, Satellitendaten und lokale Beobachtungen. Zudem analysierten sie die Temperaturen der Meeresoberflächen der Barents- und Karasee. Dabei fanden sie heraus, dass in Jahren mit überdurchschnittlich hohen Temperaturen in der Arktis Veränderungen in der atmosphärischen Zirkulation zu einem anormalen und deutlich kälteren Klima in Ostasien führten. In besonders kalten Jahren wirkten sich diese ungünstigen Bedingungen negativ auf das Wachstum der Vegetation aus, verzögerten die Blütezeit und minderten die Ernteerträge.

Zugleich verminderte sich die Kohlenstoffaufnahmekapazität der Region während Winter und Frühling gemäß Schätzungen der Forschenden um 65 Megatonnen. Zum Vergleich: Die Schweiz emittiert jährlich 8,8 Megatonnen Kohlenstoff. Die klimatisch bedingte Schwächung der Kohlenstoff-Aufnahmekapazität sollte laut den Autoren bei Diskussionen rund um Kohlenstoff- resp. Klimaneutralität deshalb berücksichtigt werden.

Klimawandel bewirkt ökologische und sozioökonomische Schäden
Die durch menschliche Treibhausgasemissionen verursachte Erwärmung der Arktis führt zu sozioökonomischen Schäden für die Menschen bis in die Subtropen. Für Mitautorin und UZH-Erdsystemwissenschaftlerin Gabriela Schaepman-Strub zeigen die Erkenntnisse, wie komplex die Auswirkungen des Klimawandels sind: «Aufgrund von Fernwirkungen in der atmosphärischen Zirkulation beeinflusst die starke Erwärmung im arktischen System, insbesondere über der Barents- und Karasee, Ökosysteme in Tausenden von Kilometern Entfernung – und dies über mehrere Wochen hinweg. Die Erwärmung der Arktis bedroht nicht nur den Eisbären, sondern wird auch uns auf vielfältige Weise prägen.»

Literatur:
Jin-Soo Kim, Jong-Seong Kug, Sujong Jeong, Jin-Ho Yoon, Ning Zeng, Jinkyu Hong, Jee-Hoon Jeong, Yuan Zhao, Xiaoqiu Chen, Mathew Williams, Kazuhito Ichii & Gabriela Schaepman-Strub: Arctic warming-induced cold damage to East Asian terrestrial ecosystems. 1 February 2022, DOI: 10.1038/s43247-022-00343-7

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• Klimawandel

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Quelle: Universität Bern.

14. Oktober 2021 – Sterne und Planeten entstehen aus demselben kosmischen Gas und Staub. Im Verlauf des Entstehungsprozesses kondensiert ein Teil des Materials und bildet Gesteinsplaneten, der Rest wird entweder vom Stern angehäuft oder wird Teil von Gasplaneten. Die Annahme eines Zusammenhangs zwischen der Zusammensetzung von Sternen und ihrer Planeten ist daher naheliegend und wird etwa im Sonnensystem durch die meisten Gesteinsplaneten bestätigt (Merkur bildet hier die Ausnahme). Dennoch erweisen sich Annahmen, insbesondere in der Astrophysik, nicht immer als wahr. Eine Studie unter der Leitung des Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) in Portugal, an der auch Forschende des NFS PlanetS der Universität Bern und der Universität Zürich beteiligt sind, die heute in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, liefert den ersten empirischen Beweis für diese Annahme – und widerspricht ihr teilweise zugleich.

Kondensierte Sterne gegen felsige Planeten
Um herauszufinden, ob die Zusammensetzung von Sternen und ihren Planeten zusammenhängt, verglich das Team sehr präzise Messungen von beiden. Bei den Sternen wurde ihr ausgestrahltes Licht gemessen, das den charakteristischen spektroskopischen Fingerabdruck ihrer Zusammensetzung trägt. Die Zusammensetzung der Gesteinsplaneten wurde indirekt bestimmt: Aus ihrer gemessenen Masse und Radius wurden ihre Dichte und Zusammensetzung abgeleitet. Erst in jüngster Zeit sind genügend Planeten so genau vermessen worden, dass aussagekräftige Untersuchungen dieser Art möglich sind.

«Doch da Sterne und Gesteinsplaneten sehr unterschiedlicher Natur sind, konnten wir ihre Zusammensetzung nicht direkt vergleichen», erklärt Christoph Mordasini, Mitautor der Studie, Dozent für Astrophysik an der Universität Bern und Mitglied des NFS PlanetS. «Stattdessen haben wir die Zusammensetzung der Planeten mit einer theoretischen, heruntergekühlten Version ihres Sterns verglichen. Während der größte Teil des Sternmaterials – vor allem Wasserstoff und Helium – bei der Abkühlung als Gas verbleibt, kondensiert ein kleiner Teil, der aus gesteinsbildendem Material wie Eisen und Silikat besteht», erklärt Mordasini.

An der Universität Bern wird seit 2003 das «Berner Modell der Entstehung und Entwicklung von Planeten» laufend weiterentwickelt. Christoph Mordasini sagt: «Wir kombinieren in unserem Modell Erkenntnisse zu den vielfältigen Prozessen, die bei der Entstehung und der Entwicklung von Planeten ablaufen.» Mithilfe dieses Berner Modells konnten die Forschenden die Zusammensetzung die Gesteinsmaterials des heruntergekühlten Sterns berechnen. «Das haben wir dann mit den Gesteinsplaneten verglichen», so Mordasini.

Hinweise auf Bewohnbarkeit von Planeten
«Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Annahmen bezüglich der Zusammensetzung von Sternen und ihrer Planeten nicht grundlegend falsch waren: Die Zusammensetzung von Gesteinsplaneten ist tatsächlich eng mit jener ihres Wirtssterns verbunden. Allerdings ist die Beziehung nicht so simpel, wie angenommen», sagt der Hauptautor der Studie und Wissenschaftler am IA, Vardan Adibekyan.

Erwartet hatten die Forschenden, dass die Häufigkeit dieser Elemente im Stern die Obergrenze darstellt. «Doch bei einigen der Planeten ist etwa die Eisenhäufigkeit im Planeten sogar höher als im Stern», erklärt Caroline Dorn, Ambizione-Fellow an der Universität Zürich und Mitautorin der Studie. «Dies könnte auf gigantische Einschläge auf diesen Planeten zurückzuführen sein, bei denen ein Teil des äußeren, leichteren Materials abbricht, während der dichte Eisenkern zurückbleibt», so die Forscherin. Die Ergebnisse könnten den Forschenden daher Aufschluss über die Geschichte der Planeten geben.

«Die Ergebnisse dieser Studie sind auch sehr nützlich, um die Zusammensetzung von Planeten einzugrenzen, die auf der Grundlage der aus Masse- und Radiusmessungen berechneten Dichte angenommen wird», erklärt Christoph Mordasini. «Da mehr als eine Zusammensetzung zu einer bestimmten Dichte passen kann, sagen uns die Ergebnisse unserer Studie, dass wir die möglichen Zusammensetzungen mithilfe jener des Wirtssterns eingrenzen können», sagt Mordasini. Und da die genaue Zusammensetzung eines Planeten etwa darauf Einfluss hat, wie viel radioaktives Material er enthält oder wie stark sein Magnetfeld ist, kann sie darüber entscheiden ob der Planet lebensfreundlich ist oder nicht.

«Bern Model of Planet Formation and Evolution»
Mit dem «Bern Model of Planet Formation and Evolution» können Aussagen gemacht werden, wie ein Planet entstanden ist und wie er sich entwickelt hat. Seit 2003 wird das Berner Modell an der Universität Bern laufend weiterentwickelt. Ins Modell fließen Erkenntnisse ein zu den vielfältigen Prozessen, die bei der Entstehung und der Entwicklung von Planeten ablaufen. Dabei handelt es sich beispielsweise um Submodelle zur Akkretion (Wachstum des Kerns eines Planeten) oder dazu, wie Planeten gravitationsbedingt miteinander interagieren und sich gegenseitig beeinflussen sowie zu Prozessen in den protoplanetaren Scheiben, in denen Planeten entstehen. Mit dem Modell werden auch sogenannte Populationssynthesen erstellt, die aufzeigen, welche Planeten sich wie häufig unter bestimmten Rahmenbedingungen in einer protoplanetaren Scheibe entwickeln.

Angaben zur Publikation:
Vardan Adibekyan et al., A compositional link between rocky exoplanets and their host stars, 14.10.2021, Science
DOI: 10.1126/science.abg8794

Berner Weltraumforschung: Seit der ersten Mondlandung an der Weltspitze
Als am 21. Juli 1969 Buzz Aldrin als zweiter Mann aus der Mondlandefähre stieg, entrollte er als erstes das Berner Sonnenwindsegel und steckte es noch vor der amerikanischen Flagge in den Boden des Mondes. Dieses Solarwind Composition Experiment (SWC), welches von Prof. Dr. Johannes Geiss und seinem Team am Physikalischen Institut der Universität Bern geplant und ausgewertet wurde, war ein erster großer Höhepunkt in der Geschichte der Berner Weltraumforschung.
Die Berner Weltraumforschung ist seit damals an der Weltspitze mit dabei: Die Universität Bern nimmt regelmäßig an Weltraummissionen der großen Weltraumorganisationen wie ESA, NASA, ROSCOSMOS oder JAXA teil. Mit CHEOPS teilt sich die Universität Bern die Verantwortung mit der ESA für eine ganze Mission. Zudem sind die Berner Forschenden an der Weltspitze mit dabei, wenn es etwa um Modelle und Simulationen zur Entstehung und Entwicklung von Planeten geht.
Die erfolgreiche Arbeit der Abteilung Weltraumforschung und Planetologie (WP) des Physikalischen Instituts der Universität Bern wurde durch die Gründung eines universitären Kompetenzzentrums, dem Center for Space and Habitability (CSH), gestärkt. Der Schweizer Nationalsfonds sprach der Universität Bern zudem den Nationalen Forschungsschwerpunkt (NFS) PlanetS zu, den sie gemeinsam mit der Universität Genf leitet.

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Planetenentstehung

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Quelle: Airbus Defence and Space.

Kennedy Space Center, Florida / 26. August 2021 – Der UZH Space Hub der Universität Zürich und Airbus bringen mit dem nächsten Versorgungsflug zur Internationalen Raumstation ISS ein Experiments ins All, mit dem die industrielle Produktion menschlichen Gewebes in Schwerelosigkeit weiter vorangetrieben werden soll. Mit diesem Schritt könnte der Weltraum zur Werkstätte werden, um menschliche Mini-Gewebe für den irdischen Einsatz in Forschung und Medizin herzustellen. Erste vorbereitende Tests auf der ISS vor 18 Monaten waren erfolgreich verlaufen.

Das Verfahren für das gemeinsame „3D-Organoids-in-Space“-Projekt stammt von den Zürcher Forschern Oliver Ullrich und Cora Thiel. Zusammen mit Airbus haben die beiden Pioniere in der Erforschung, wie Schwerkraft menschliche Zellen beeinflusst, das Verfahren zur Projektreife entwickelt. Das Airbus Innovations-Team um Projektleiter Julian Raatschen entwickelt die Hardware und sorgt für den Zugang zur Internationalen Raumstation (ISS). Von der Idee bis zur ersten Produktionstestung im All brauchten die Projektpartner nur drei Jahre, in denen sie verschiedene Testphasen und hochkompetitive interne Auswahlverfahren überstanden. „Wir zeigen als erste, dass der Weg zur Produktion im All machbar ist, nicht in der Theorie, sondern in der Praxis“, sagt Ullrich.

Medikamentenentwicklung verbessern und Tierversuche reduzieren

Oliver Ullrich, Professor für Anatomie an der UZH, die Biologin Cora Thiel und Airbus nutzen die Mikrogravitation im Weltall, um aus menschlichen adulten Stammzellen dreidimensionale organähnliche Gewebe – sogenannte Organoide – zu züchten. „Auf der Erde lassen sich wegen der Schwerkraft ohne Stützskelette keine dreidimensionalen Organoide produzieren“, erläutert Thiel. Auf großes Interesse stoßen solche 3D-Organoide bei Pharmaunternehmen. Toxikologische Studien könnten so ohne Umweg über Tiermodelle direkt an menschlichen Geweben durchgeführt werden. Aus Patientenstammzellen gezüchtete Organoide könnten zudem in Zukunft als Bausteine für Gewebe-Ersatz zur Therapie geschädigter Organe eingesetzt werden, denn die Zahl der gespendeten Organe kann den weltweiten Bedarf an Tausenden von Spenderorganen bei Weitem nicht decken.

Differenzierte 3D-Organoide im All gezüchtet

Die Forschungsarbeiten vom März 2020, als 250 Teströhrchen mit menschlichen Stammzellen einen Monat lang auf der ISS verbrachten, waren sehr erfolgreich. Aus den Gewebestammzellen hatten sich in der Mikrogravitation in 400 Kilometern Höhe wie beabsichtigt differenzierte organähnliche Leber-, Knochen- und Knorpel-Strukturen entwickelt. Die auf der Erde angelegten Kulturen, die als Kontrollen unter normalen Schwerkraftbedingungen gezüchtet wurden, zeigten dagegen keine oder nur minimale Zelldifferenzierungen.

Robustheit und Lebensfähigkeit

In der aktuellen Mission werden Gewebestammzellen von zwei Frauen und zwei Männern unterschiedlichen Alters ins All geschickt. Damit prüfen die Forschenden, wie robust die Methode ist, wenn sie Zellen unterschiedlicher biologischer Variabilität einsetzen, Sie erwarten, dass die Produktion in Schwerelosigkeit einfacher und zuverlässiger ist, als unter Verwendung von „Hilfsmaterialien“ auf der Erde. „Aktuell liegt der Fokus auf produktionstechnischen Fragen und der Qualitätskontrolle. Im Hinblick auf die anvisierte Kommerzialisierung, müssen wir jetzt herausfinden, wie lange und in welcher Qualität wir die im All gezüchteten Organoide nach der Rückkehr zur Erde in Kultur halten können“, so Ullrich.

„Im Erfolgsfall kann die Technologie weiterentwickelt und zur Einsatzreife gebracht werden. Airbus und der UZH Space Hub können so einen weiteren Beitrag zur Verbesserung der Lebensqualität auf der Erde durch raumfahrtbasierte Lösungen liefern“, sagt Airbus- Projektleiter Raatschen.

Das Probenmaterial wird Anfang Oktober zurück zur Erde kommen. Erste Ergebnisse sind ab November zu erwarten.

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• **ISS** <Forschung & Forschungseinrichtungen>

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Quelle: Universität Zürich.

Wenn bei der Kollision von hochenergetischen Protonenstrahlen im Large Hadron Collider (LHC) – dem Teilchenbeschleuniger am CERN in Genf – sogenannte Beauty-Quarks entstehen, zerfallen sie praktisch sofort an Ort und Stelle. Forschende des Large Hadron Collider beauty-Experiments (LHCb-Experiment) rekonstruieren die Eigenschaften der kurzlebigen, zusammengesetzten Teilchen anhand ihrer Zerfallsprodukte. Nach den etablierten Gesetzen der Teilchenphysik – dem sogenannten Standardmodell – sollten die Beauty-Quarks mit der gleichen Wahrscheinlichkeit in einen Endzustand mit Elektronen bzw. Myonen, den viel schwereren Geschwistern der Elektronen, zerfallen. Seit 2014 deuten Messungen am LHC jedoch darauf hin, dass diese «Lepton-Universalität» in einigen Zerfällen verletzt werden könnte. Diese Zerfälle zeigten kleine Abweichungen vom Verhältnis der beiden Teilchensorten von der theoretischen Vorhersage von eins.

Zerfallsmessungen stimmen nicht mit Vorhersage der Teilchenphysik überein
Mitglieder der Gruppe von Nicola Serra, Professor am Physik-Institut der Universität Zürich (UZH), sind Teil des kleinen Forschungsteams, das die Messungen durchgeführt hat. In der neuesten LHCb-Analyse wurde das Verhältnis der Zerfallsprodukte, die Elektronen und Myonen enthalten, mit viel besserer Präzision bestimmt als bei früheren Messungen. Verwendet wurden alle bisher vom LHCb-Detektor gesammelten Daten. Das Ergebnis deutet auf eine Abweichung vom Verhältnis eins hin – und damit auf eine Verletzung der «Lepton-Universalität» in Beauty-Quark-Zerfällen. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Daten mit der theoretischen Vorhersage vereinbar sind, beträgt etwa 0,1%. Sollte sich diese Abweichung bestätigen, würde dies eine Physik jenseits des Standardmodells implizieren – etwa eine neue fundamentale Kraft zusätzlich zu den vier Grundkräften: Gravitation, Elektromagnetismus, schwache Wechselwirkung, die für Radioaktivität verantwortlich ist, und starke Wechselwirkung, die die Materie zusammenhält.

Zu früh für endgültige Aussagen, aber großes Potenzial für kommende Messungen
«Das Standardmodell hat sich jahrzehntelang als sehr erfolgreich erwiesen. Unsere Aufgabe als Experimentatoren ist es, das Modell immer genauer zu testen und zu sehen, ob es der strengeren Überprüfung standhält», sagt UZH-Forscher Patrick Owen, der federführend an der Analyse beteiligt war. In der Elementarteilchenphysik werden Beobachtungen zu echten Entdeckungen, wenn die Wahrscheinlichkeit eines Irrtums unter Berücksichtigung aller bekannten Fehler weniger als eins zu drei Millionen oder 0,00003% beträgt. «Es ist also noch zu früh für eine endgültige Schlussfolgerung. Allerdings stimmt die neue Abweichung mit dem Muster von Anomalien überein, die sich im letzten Jahrzehnt abgezeichnet haben», sagt Nicola Serra. «Doch die LHCb-Kollaboration verfügt über alle Voraussetzungen, um in Beauty-Quark-Zerfällen die mögliche Existenz von Effekten einer neuen Physik zu klären. Was wir dazu brauchen, sind viele weitere Messungen», schließt Serra.

Das Ergebnis wurde heute erstmals an der Moriond-Konferenz über elektroschwache Wechselwirkungen und vereinheitlichte Theorien sowie an einem Online-Seminar am CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung in Genf, vorgestellt.

Literatur:
LHCb collaboration: R. Aaij et. al. Test of lepton universality in beauty-quark decays. arXiv.org. 23 March 2021. https://arxiv.org/abs/2103.11769

Das Large Hadron Collider beauty-Experiment (LHCb)
Das LHCb-Experiment ist eines der vier großen Experimente am Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf. Entwickelt wurde es, um Zerfälle von Elementarteilchen zu untersuchen, die ein Beauty-Quark enthalten. Dies ist das Quark mit der höchsten Masse, das gebundene Zustände bildet. Die daraus resultierenden Präzisionsmessungen von Materie-Antimaterie-Unterschieden und seltenen Zerfällen von Teilchen, die ein Beauty-Quark enthalten, ermöglichen empfindliche Tests des Standardmodells der Teilchenphysik.

Forschungsgruppen der UZH und der ETH Lausanne sind seit 1999 Mitglieder der LHCb-Kollaboration. Sie haben wichtige Beiträge zum Design und zum Bau des LHCb-Detektors geleistet und sind an dessen Upgrades beteiligt. Diese Erweiterungen des Detektors werden der Schlüssel sein, um die benötigten Daten zu sammeln und herauszufinden, ob die beobachteten Anomalien in den Beauty-Quark-Zerfällen tatsächlich real sind. Seit dem Beginn der Datenaufnahme im Jahr 2009 spielt die UZH-Gruppe von Nicola Serra eine führende Rolle bei den Messungen der Zerfälle von Teilchen, die Beauty-Quarks enthalten.

Die Gruppe arbeitet eng mit zwei weiteren UZH-Teams zusammen, die an der theoretischen Beschreibung dieser Phänomene arbeiten. Professor Gino Isidori arbeitet an der theoretischen Interpretation dieser Zerfälle und beschäftigt sich mit offenen Fragen zur Natur der Grundbausteine der Materie und ihrer fundamentalen Wechselwirkungen. Andreas Crivellin, SNF-Förderprofessor an der UZH, untersucht am Paul Scherrer Institut (PSI) mögliche Implikationen dieser Resultate für andere Experimente. Gemeinsam verbinden die UZH-Forschungsteams in der aktuellen Teilchenphysik-Forschung Theorie und Experiment effektiv miteinander.

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• Large Hadron Collider

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Quelle: Universität Zürich.

Die Schutzmaßnahmen im Rahmen der SARS-CoV-2-Pandemie haben – neben Restriktionen für Wirtschaft und Gesellschaft – auch die meisten Forschungsaktivitäten stark beeinträchtigt. Trotz der sich dauernd ändernden Lage konnten die Swiss Skylab Foundation und der Space Hub der Universität Zürich (UZH) die geplante Parabelflug-Kampagne neu organisieren und die erforderlichen Schutzkonzepte implementieren. Der Schwerelosigkeits-Forschungsflug hebt heute am 11. Juni 2020 vom ehemaligen Militärflugplatz Dübendorf ab – unter Einhaltung sämtlicher Corona-Schutzmaßnahmen.

An Bord des Airbus A310 befinden sich acht Experimente aus den Bereichen Medizin, Astrophysik und Geologie, darunter mehrere der UZH sowie je eines der Universitäten Bern und Basel, der ETH Zürich und des italienischen Eurac Forschungsinstituts. Bei einem Experiment handelt es sich um eine Forschungszusammenarbeit der Universität Zürich und der NASA, an der auch die University of Wisconsin beteiligt ist.

Mit gedämpfter Immunantwort gegen schwere Covid-19-Verläufe
Eines der Experimente, das Oliver Ullrich, Professor für Anatomie an der UZH und Direktor des UZH Space Hubs, und seine Forschungsgruppenleiterin Cora Thiel durchführen, fokussiert auf Covid-19. «Bei schweren und teilweise tödlichen Covid-19-Verläufen scheint eine massive und schädliche Überreaktion des Immunsystems beteiligt zu sein, die bei leichten Verläufen nicht zu beobachten ist», erläutert Thiel.

Aus der Raumfahrtmedizin ist bekannt, dass Überreaktionen des Immunsystems in der Schwerelosigkeit abgedämpft werden. Aus ihrer bisherigen Forschung kennen Ullrich und Thiel mögliche molekulare Wege, wie dieser «gedämpfte», aber dennoch reaktive Immunstatus, aktiviert wird. Während des Parabelfluges versuchen die beiden mittels verschiedener bereits zugelassener Medikamente diesen aus der Schwerelosigkeit bekannten Immunstatus in menschlichen Zellkulturen herbeizuführen. Im Falle positiver Resultate wären erste klinische Testreihen möglich mit dem Ziel schwere und tödliche Verläufe von Covid-19 zu reduzieren. «Dadurch ließe sich die gewünschte «Herdenimmunität» mit weniger Risiken erreichen», erklärt Ullrich den neuartigen Ansatz.

Bisher 30 Experimente in der Schwerelosigkeit
Zusammen mit der aktuellen Kampagne wurden in den von Ullrich organisierten Forschungsflügen bislang dreißig Experimente in der Schwerelosigkeit durchgeführt. «Forschung in Schwerelosigkeit kann Vorgänge aufklären und sichtbar machen, die auf der Erde durch die Schwerkraft verborgen sind und helfen, neue Materialien und Herstellungsverfahren zu erforschen», erläutert Ullrich, der Mediziner und Biochemiker ist. «Sie hat der Medizin neue Erkenntnisse, neue Behandlungsmethoden und neue Perspektiven für Geweberegeneration und -ersatz gebracht.»

Swiss Parabolic Flights erzielen hohe Wertschöpfung
Dank Ullrichs Parabelflügen gelang es Wissenschaftlern aus der Schweiz, Forschungsgelder auf europäischer Ebene einzuwerben oder Forschungsvorhaben auf der Internationalen Raumstation vorzubereiten. «Damit erzielen die Swiss Parabolic Flights eine hohe Wertschöpfung und stärken die Wettbewerbsfähigkeit von Forschung und Technologie aus der Schweiz», sagt Ullrich. Mit dem Swiss Parabolic Flight Programm erhalten Wissenschaft und Innovation in der Schweiz einen einfachen Zugang zur Forschungsumgebung «Schwerelosigkeit». Ermöglicht wird dies auch durch die Schweizer Luftwaffe mit der Nutzung des Militärflugplatzes Dübendorfs für die Starts und Landungen des Airbus 310 Zero-G. Durchgeführt werden die Schwerelosigkeits-Forschungsflüge durch Novespace, eine Tochter der französischen Raumfahrtagentur CNES, die Eigentümer und Operator des A310 ZERO-G ist.

Europaweit einzigartiges Setting
Überzeugt vom Potenzial in Dübendorf ist auch Peter Bodmer, Mitglied des Universitätsrats und Präsident des Innovationsparks Zürich: «Der Innovationspark Zürich bietet eine einzigartige Chance: den Zugang zu einem Flugfeld, das Forschungs- und Testflüge für die Mobilität in der Luft ermöglicht. So eignet sich der Park auf dem Flugplatzareal von Dübendorf auch für alle Innovationsthemen der Aviatik und der Luftfahrt.» Dies bestätigt Michael Schaepman, Prorektor Forschung an der UZH: «Mit der Flugpiste vor der Haustüre haben wir europaweit ein einzigartiges Setting und zeigen mit dem heutigen Parabelflug, dass die UZH und ihr Space Hub im Bereich Luft- und Raumfahrt auch in herausfordernden Zeiten verlässliche Partner sind.»

Wozu Parabelflüge für die Forschung?
Parabelflüge sind fester Bestandteil jeder Forschung in Schwerelosigkeit. Bei einem Parabelmanöver wird ein Flugzeug in den freien Fall im Gravitationsfeld gebracht, was physikalisch zu echter Schwerelosigkeit an Bord führt – identisch mit der Schwerelosigkeit auf der Internationalen Raumstation (ISS).

Auf den extremen Steigflug folgt, dem Kurs einer Wurfparabel folgend, ein kontrollierter Sturzflug – so wird im Airbus A310 ZERO-G für 22 Sekunden Schwerelosigkeit erzeugt. Dank der Schweizer Luftwaffe können die Universität Zürich und der UZH Space Hub den Militärflugplatz schon seit Längerem zu Forschungszwecken mitnutzen: Bereits 2015, 2016 und 2018 organisierten die UZH und die universitätsnahe gemeinnützige Swiss SkyLab Foundation drei Parabelflugkampagnen mit dem Airbus A310 ZERO-G. Die Parabelmanöver finden über dem Mittelmeer oder dem Atlantik statt.

Die vierte Parabelflugkampagne wird durch das Swiss Space Office des SBFI unterstützt.

UZH Space Hub
Das Innovationscluster Luft- und Raumfahrt der Universität Zürich (UZH Space Hub) verbindet die international gut vernetzte Forschung in der Luft- und Raumfahrt an der UZH mit neuen Partnerschaften aus Wissenschaft und Industrie und bringt sie in den Innovationspark Zürich am Standort Dübendorf ein. Die enge Verbindung von Forschung und Flugplatz ist eine Besonderheit in Europa und ein Plus für die Wettbewerbsfähigkeit der Schweiz.

Experimente an Bord:
Planetenentstehung: Theorie auf dem Prüfstand der Realität
Involvierte Institutionen:
NCCR PlanetS, Universität Bern: Dr. Holly Capelo
Universität Zürich: Prof. Lucio Mayer

Protoplanetare Scheiben bestehen aus Gas und Staub. Durch Schwerkraft und Verklebungen entstehen daraus Planetesimale – die Vorläufer und Bausteine von Planeten: So zumindest besagen es Theorie und Simulationen. Das Experiment überprüft die Theorie erstmals unter den realen Bedingungen der Schwerelosigkeit.

Sedimentbildung auf Erde, Mond und Mars verstehen
Involvierte Institutionen:
Universität Basel, Prof. Niklaus Kuhn

Das Experiment untersucht, wie sich Sedimente unter unterschiedlichen Schwerkraftbedingungen in Wasser absetzen. Im Fokus stehen die Schwerkraftbedingungen von Mars und Mond sowie Hypergravitation. Die Erkenntnisse sind relevant, um die Sedimentationsprozesse auf der Erde verstehen und Aufnahmen von Gesteinsformationen auf dem Mars richtig zu interpretieren.

Wie die Schwerkraft in den Zellkern gelangt
Involvierte Institutionen:
Dr. Srujana Neelam, University of Wiscosin, Dr. Ye Zhang, NASA Kennedy Space Center, FL, 32899, USA, NASA
Universität Zürich: Dr. Cora Thiel, Dr. Liliana Layer, Jessica Hellein, Prof. Oliver Ullrich

Die Schwerkraft wirkt als eine mechanische Kraft auf die inneren und äußeren Strukturen der Zellen. In diesem Experiment werden Wege und Moleküle untersucht, wie die Schwerkraft-Wirkung in den Zellkern gelangt, dort wo die Gene der Zelle reguliert werden. Dies ist im Zusammenhang mit der Schwerelosigkeit auf Raumflügen von Bedeutung.

Herzmassage in der Schwerelosigkeit
Involvierte Institutionen:
Eurac Research, Institute of Mountain Emergency Medicine: Dr. Alessandro Forti
Helios Klinikum Bad Saarow, Prof. Dr. Olaf Schedler

Unter Schwerelosigkeit bzw. unter Schwerkraftbedingungen wie sie z.B. an Bord der Raumstation ISS herrschen, gestalten sich lebensrettende Herzmassagen bei einem Herzstillstand als anspruchsvoll. Das Experiment testet an einer Übungspuppe ACD-CPR-Instrumente unter Schwerelosigkeit bzw. Schwerkraftbedingungen wie sie auf der Erde, dem Mond und dem Mars herrschen.

Der Code der Schwerkraft
Involvierte Institutionen:
Universität Zürich, Dr. Cora Thiel, Prof. Oliver Ullrich
NASA Kennedy Space Center: Dr. Ye Zhang

Menschliche Zellen passen sich schnell einer veränderten Schwerkraft an. Wie diese Anpassung erfolgt, ist nicht bekannt. Das Experiment untersucht den Zusammenhang zwischen der Schwerkraft und der Regulation der Genfunktion, d.h. welche Moleküle unter veränderter Schwerkraft welche Gene an- oder abschalten und inwiefern diese Reaktion durch die geometrische Lage der Gene codiert ist. Das Wissen um diese Faktoren ist essentiell für die bemannte Raumfahrt.

Funktioniert der zelluläre Notfallschutz bei Sauerstoffmangel auch unter veränderten Schwerkraftbedingungen?
Involvierte Institutionen:
Universität Zürich, Prof. Johannes Vogel, Prof. Max Gassmann

Menschliche und tierische Zellen verfügen über einen Notfallschutz, der bei Sauerstoffmangel sofort aktiviert wird. Dabei erweist sich der Transport von als HIF’s bezeichneten Molekülen vom Zellsaft in den Zellkern als zentral. Das Experiment untersucht, ob und wie dieser überlebenswichtige Prozess auf veränderte Schwerkraftbedingungen reagiert. Das zu wissen, ist essentiell für die bemannte Raumfahrt.

COVID-19: Lebensbedrohliche Überreaktionen des Immunsystems unter Kontrolle bringen
Involvierte Institutionen:
Universität Zürich, Dr. Cora Thiel und Prof. Oliver Ullrich

Aus der Raumfahrtmedizin ist bekannt, dass «Überreaktionen» des Immunsystems in der Schwerelosigkeit abgedämpft sind. Durch ihre bisherige Forschung kennen Ullrich und Thiel bereits mögliche molekulare Wege, wie dieser «gedämpfte», aber dennoch immer noch reaktive Immunstatus, aktiviert wird. Auf der 4th Swiss Parabolic Flight Campaign versuchen die beiden mittels verschiedener bereits zugelassener Medikamente diesen aus der Schwerelosigkeit bekannten Immunstatus in menschlichen Zellkulturen «anzuschalten». Um festzustellen, dass so ein identischer Effekt erreicht wird, werden molekulare Marker als Ergebnis der Medikamenteneffekte anhand der «Anschaltung» durch die Schwerelosigkeit validiert.

Entwicklung eines Lerntools für Studierende
Involvierte Institutionen:
ETH Zürich, Prof. Dr. Jörg Goldhahn, Dominik Hollinger

Bewegungssensoren funktionieren bei Schwerkraftveränderungen unterschiedlich. Im Experiment werden zwei Studenten mit von der ETH entwickelten Bewegungssensoren, Pulsmessband und Videokamera ausgestattet und führen verschiedene Aufgaben im Parabelflug durch. Die gewonnenen Daten werden für ein Lerntool für Studierende genutzt und soll diese dafür sensibilisieren, dass Sensoren unter verschiedenen Bedingungen unterschiedlich funktionieren können. Das Projekt wurde komplett von Studierenden im Rahmen einer Gruppenarbeit geplant und durchgeführt.

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• Parabelflüge

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