Quelle: ZARM / News / Forschung für die Handhabung von flüssigem Wasserstoff im Weltraum, 24. März 2026

Wasserstoff und Sauerstoff sind eine der effizientesten Treibstoffkombinationen für moderne Raumfahrtantriebe. Um einen volumen- und massenoptimierten Tank eines Raumfahrzeugs zu realisieren, werden die kryogenen Treibstoffe heruntergekühlt bis sie einen flüssigen Aggregatzustand erreichen. In diesem Zustand besitzt die tiefkalte Flüssigkeit eine höhere Dichte als im gasförmigen Zustand und kann in kleineren, dünnwandigeren Tanks bei annähernd Umgebungsdruck gelagert werden. Die Handhabung der tiefkalten Flüssigkeiten unter reduzierter Schwerkraft stellt die Industrie und die wissenschaftliche Community jedoch vor große Herausforderungen: Bereits kleinste lokale Überhitzungen der Tankwand oder der Leitungen können Dampfblasen entstehen lassen. Der Entstehungsort sind sogenannte Keimstellen auf der mit Flüssigkeit benetzten Innenseite des Tanks.

Dieser Vorgang wird als Blasensieden bezeichnet und kann den thermodynamischen Zustand des Treibstoffs im Tank wesentlich beeinflussen: Die Entstehung und das Wachstum der Blasen führen dazu, dass eine Mischung aus Flüssigkeit und Gas vorliegt, die den Druck im Tank ansteigen lässt und den Dampfgehalt verändert. Es besteht außerdem das Risiko, dass das Ansaugen von Gasblasen, die sich in der Flüssigkeit befinden, den Betrieb des Motors beeinflusst.

Erkenntnisse aus dem Fallturm Bremen

Im Bremer Fallturm konnten die Forschenden die Entstehung und das Wachstum einzelner Wasserstoffdampfblasen gezielt hervorrufen und beobachten. Dabei wurde eine künstliche Keimstelle in Form einer winzigen Kavität im Material erhitzt. Da die Versuche unter reduzierter Schwerkraft erfolgten, ist die Dampfblase am Entstehungsort verblieben und wurde nicht auftriebsbedingt (wie unter Erdschwerkraft) wegbewegt.

Die aufgenommenen Experimentbilder und Messwerte ermöglichen eine Quantifizierung des Blasenwachstumsprozesses. Ein vom Heizer dissipierter Wärmestrom von nur 80 Milliwatt führte bereits zur Aktivierung der künstlichen Keimstelle. Innerhalb von 3,6 Sekunden ist daraufhin eine Dampfblase bis auf einen Durchmesser von etwa vier Millimetern angewachsen. In Verbindung mit den thermischen Randbedingungen liefern die Experimentergebnisse wichtige Daten, um numerische Modelle für das Siedeverhalten von flüssigem Wasserstoff im Weltraum weiter zu entwickeln.

„Unsere Experimentergebnisse tragen wesentlich dazu bei, die thermodynamischen Prozesse in kryogenen Treibstoffsystemen besser zu verstehen“, sagt André Pingel, Leiter der Arbeitsgruppe „Mehrphasenströmungen“.

Die Experimente wurden im Rahmen des bereits abgeschlossenen Vorhabens „Kavitation und Sieden von Methan und Wasserstoff“ (KASIMOFF 2) durchgeführt. Das Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) über das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR e.V.) unter dem Förderkennzeichen 50RL2290 gefördert.

Weitere Informationen

Link zur Publikation: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011227526000536?via%3Dihub

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• Fallturm Bremen (ZARM)

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Quelle: NASA / Jason Costa, 18. Februar 2026

Heute früh, gegen 9 Uhr MEZ, haben die Teams die elektrischen Systeme der Hauptstufe der Rakete hochgefahren, die während der Tankphase des Countdowns mit mehr als 2,6 Millionen Liter flüssigen Sauerstoff und flüssigen Wasserstoff befüllt wird. Dies geschieht in mehreren Schritten. Der Tank wird zuerst großteils befüllt, am Ende erfolgt die finale Befüllungsphase und daran schließt sich Nachfüllphase an in der Verluste ausgeglichen werden.
Die „interim cryogenic propulsion stage“ wurde ebenfalls über Nacht hochgefahren.
Gegen 17 Uhr MEZ, also T-33 Stunden, 30 Minuten im Countdown, begannen die operativen Mitarbeiter mit dem Laden der Batterien von Orion. Das Laden der Batterien der Hauptstufe soll heute Abend beginnen. Im Laufe des Tages werden die Ingenieure die letzten Vorbereitungen an den Versorgungsarmen treffen und eine Begehung der Startrampe durchführen.
Ein 24/7-Livestream der Rakete auf der Startrampe wird weiterhin online übertragen. Die NASA wird während der Betankungsaktivitäten einen separaten Feed sowie Echtzeit-Blog-Updates zum Test während des Betankungstages bereitstellen.

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• Artemis II – Orion auf SLS

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Quelle: NASA / Rachel H. Kraft, 8. Februar 2026

Nachdem die Tanks der Artemis 2 Rakete nach dem vorherigen Test von kryogenem Treibstoff entleert worden waren, begannen die Techniker sofort mit den Arbeiten, um Zugang zu den Anschlüssen des sogenannten „tail service masts“ des mobilen Startgeräts zu erhalten und die Rakete sowie die bodenseitigen Schnittstellenplatten zu lösen, um den Bereich mit erhöhten Gaswerten zu inspizieren und die Dichtungen um zwei Betankungsleitungen herum zu ersetzen.

Zwei „tail service masts“, jeder etwa drei Stockwerke hoch, versorgen den SLS-Centercore mit kryogenen Treibstoffleitungen und elektrischen Kabelverbindungen. Die „tail service mast“ neigen sich vor dem Start nach hinten und verfügen über sogenannte “quick disconnects“, Mechanismen, die sich beim Start sofort lösen, um ein sicheres und zuverlässiges Zurückziehen beim Start zu gewährleisten.

Während die Teams weiterhin die Ursache des Lecks untersuchen, sollte die Wiederherstellung der Schnittstellen wahrscheinlich schon am Montag, dem 9. Februar, abgeschlossen worden sein. Die Tests wurden im Stennis Space Center der NASA in Bay St. Louis, Mississippi, durchgeführt, um die zusätzliche Dynamik der Platten zu bewerten. Die Ingenieure prüfen derzeit verschiedene Optionen, um die Reparaturarbeiten vor dem nächsten Start- und Betankungstest zu testen und sicherzustellen, dass die Dichtungen wie erwartet funktionieren.

Die NASA wird außerdem mehrere Abläufe für den nächste Start- und Betankungstest anpassen, um sich auf die Betankungsaktivitäten zu konzentrieren. Die Luke des Orion-Crewmoduls wird vor dem Test geschlossen, und das Closeout-Team, das am Starttag dafür zuständig ist, die Artemis-II-Crew auf ihre Plätze zu begleiten und die beiden Luken von Orion zu schließen, wird nicht zur Startrampe entsandt. Der Crew-Zugangsarm wird während des nächsten Start- und Betankungstests nicht eingefahren, nachdem die Ingenieure erfolgreich gezeigt haben, dass der Bodenstartsequenzer ihn während der letzten Phase des Countdowns einfahren konnte.

Darüber hinaus hat die NASA bei den beiden geplanten Unterbrechungen des Countdowns vor und nach dem Betanken jeweils 30 Minuten zusätzliche Zeit eingeplant, um mehr Zeit für die Fehlerbehebung zu haben, wodurch sich die Gesamtzeit des Countdowns um eine Stunde verlängert. Die zusätzliche Zeit hat keinen Einfluss auf den Zeitplan der Crew am Starttag.
Seit dem Ende ihrer Quarantäne haben die NASA-Astronauten Reid Wiseman, Victor Glover und Christina Koch sowie der CSA-Astronaut (Canadian Space Agency) Jeremy Hansen ihre Trainingsaktivitäten fortgesetzt, um sicherzustellen, dass sie mit den Systemen des Orion-Raumschiffs bestens vertraut sind. Die Astronauten haben außerdem die Details jedes Flugtages der Mission durchgesehen, um ihr Wissen über die während des Fluges geplanten Testziele zu vertiefen.

Die NASA hält weiterhin den März als nächsten möglichen Starttermin im Auge, wird jedoch erst nach Abschluss eines erfolgreichen Start- und Betankungstests und Auswertung der Daten einen konkreten Starttermin festlegen.

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• Artemis II – Orion auf SLS

Der Beitrag NASA führt Reparaturen und Analysen für Artemis 2 vor dem nächsten Start- und Betankungstest durch erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: NASA / Rachel H. Kraft, 3. Februar 2026

Der Start- und Betankungstest (im englischen Wet Dress Rehearsal) war ein Test vor dem Start, bei dem die Rakete betankt und die Startsequenz bis kurz vor dem Start durchgeführt wurde, um eventuelle Probleme zu identifizieren und zu beheben, bevor der reale Start versucht wird. Die Ingenieure meisterten während des zweitägigen Tests mehrere Herausforderungen und erreichten viele der geplanten Ziele. Damit die Teams die Daten überprüfen und einen zweiten Start- und Betankungstest durchführen können, strebt die NASA nun März als frühestmöglichen Starttermin für den Testflug an. Die Verschiebung des Startfensters im Februar bedeutet auch, dass die Astronauten von Artemis II aus der Quarantäne entlassen werden, in die sie am 21. Januar in Houston eingetreten sind. Daher werden sie am Dienstag nicht wie vorläufig geplant zum Kennedy Space Center der NASA in Florida reisen. Die Besatzung wird etwa zwei Wochen vor dem nächsten geplanten Starttermin erneut in Quarantäne gehen.

Die NASA begann den etwa 49-stündigen Countdown am 31. Januar um 20:13 Uhr lokaler Zeit. Im Vorfeld und während der Betankungsarbeiten am 2. Februar überwachten die Ingenieure, wie sich das kalte Wetter am Kennedy Space Center auf die Systeme auswirkte, und führten Verfahren ein, um die Hardware zu schützen. Die kalten Temperaturen führten zu einer Verzögerung des Beginns der Betankungsarbeiten, da es einige Zeit dauerte, bis bestimmte Schnittstellen auf akzeptable Temperaturen gebracht waren, bevor mit dem Einfüllen des Treibstoffs begonnen werden konnte.  Während des Betankens verbrachten die Ingenieure mehrere Stunden damit, ein Leck von flüssigem Wasserstoff in einer Schnittstelle zu beheben, über die das kryogene Treibmittel in die Kernstufe der Rakete geleitet wird, wodurch sie im Countdown in Verzug gerieten. Um das Problem zu beheben, wurde der Fluss von flüssigem Wasserstoff in die Kernstufe gestoppt, damit sich die Schnittstelle erwärmen und die Dichtungen wieder richtig sitzen konnten, und der Treibstofffluss angepasst. 

Die Teams füllten erfolgreich alle Tanks sowohl in der Kernstufe als auch in der Oberstufe (interim cryogenic propulsion stage, ICPS), bevor ein fünfköpfiges Team zur Startrampe geschickt wurde, um die Abschlussarbeiten an Orion zu beenden. Die Ingenieure führten während des Tests einen ersten Durchlauf der Endphase des Countdowns durch und zählten bis etwa 5 Minuten vor Ablauf des Countdowns, bevor der Bodenstartsequenzer den Countdown aufgrund eines Anstiegs der Leckrate von flüssigem Wasserstoff automatisch stoppte.

Zusätzlich zum Austritt von flüssigem Wasserstoff musste ein Ventil, das mit der Druckbeaufschlagung der Luke des Orion-Besatzungsmoduls in Verbindung steht und kürzlich ausgetauscht worden war, nachgezogen werden, wodurch die Abschlussarbeiten länger als geplant dauerten. Das kalte Wetter, das mehrere Kameras und andere Geräte beeinträchtigte, behinderte die Aktivitäten des Start- und Betankungstest nicht, hätte jedoch am Tag des Starts zusätzliche Aufmerksamkeit erfordert.

Schließlich haben die Ingenieure in den letzten Wochen vor dem Test Fehler bei den Audio-Kommunikationskanälen zwischen den Bodenteams behoben. Während des Start- und Betankungstest traten erneut mehrere Ausfälle auf.

Das Team führte aktualisierte Verfahren durch, um die Hohlräume des Orion-Servicemoduls während der Abschlussarbeiten der Crew mit Atemluft anstelle von gasförmigem Stickstoff zu spülen, damit das Team, das die Crew in ihre Sitze begleitet und die Luken von Orion schließt, sicher im White Room arbeiten kann.

Da der März als potenzielles Startfenster vorgesehen ist, werden die Teams die Daten aus dem Test vollständig überprüfen, jedes Problem beheben und mit den Tests fortfahren, bevor sie einen offiziellen Starttermin festlegen. Die Sicherheit der Besatzung hat weiterhin höchste Priorität, damit die NASA-Astronauten Reid Wiseman, Victor Glover und Christina Koch sowie der CSA-Astronaut (Canadian Space Agency) Jeremy Hansen am Ende ihrer Mission sicher nach Hause zurückkehren können.

Zusätzlich zu einer Erklärung des NASA-Administrators Jared Isaacman, die am Dienstag veröffentlicht wurde, werden die Leiter der Behörde die ersten Ergebnisse des Start- und Betankungstest während einer Pressekonferenz am Dienstag um 19 Uhr MEZ diskutieren. Zuvor hatte die NASA geplant, die Pressekonferenz um 18 Uhr zu beginnen. Die Behörde wird die Pressekonferenz live auf ihrem YouTube-Kanal übertragen.

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• Artemis II – Orion auf SLS

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Nicht viele Sterne können von sich behaupten, beinahe unser Verständnis vom Universum kaputt gemacht zu haben – aber ein Stern mit der Bezeichnung HD 140283 hätte es fast geschafft: Im Jahr 2000 schätzten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sein Alter auf 16 Milliarden Jahre. Und damit wäre dieser so unscheinbare Stern älter als das Universum selbst. Er liegt in rund 190 Lichtjahren Entfernung im Sternbild Waage und ist von der Erde aus zwar nicht mit dem bloßen Auge, aber doch immerhin schon mit einem Fernglas sichtbar. Seinen Spitznamen als „Methusalem-Stern“ hat er sich damit mehr als verdient.

In den darauffolgenden Jahren korrigierten neue Messungen und Studien dieses Alter glücklicherweise nach unten. Inzwischen gilt HD 140283 zwar immer noch als alt, aber nicht mehr als älter als das Universum selbst. Trotz seines stolzen Alters ist eines wissenschaftlich sicher: Der Methusalem-Stern ist keiner von den allerersten Sternen, die es in unserem Universum je gegeben hat – doch auf die haben sie es abgesehen.

Forschende bezeichnen jene ersten Sterne im Universum auch als Sterne der Population III. Es sind die Sterne, die nach dem Urknall als erstes Licht ins Dunkel brachten. Damals, vor Milliarden von Jahren, gab es im Universum vor allem Wasserstoff und Helium. Erst die ersten Sterne haben jene massereicheren Elemente hergestellt, die wir heute kennen und schätzen – und ohne die es uns nicht geben würde: Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, und noch schwerere Elemente bis hin zum Eisen.

Somit ist zwar vollkommen klar, dass es diese ersten Sterne gegeben haben muss. Und doch haben Forschende noch nie einen solchen Stern beobachtet, trotz Jahrzehnten der intensiven Suche.

In dieser Folge erzählt Franzi von dieser Suche nach den Sternen der Population III, die Licht ins Universum gebracht haben – eine Suche, für die Forschende versuchen, mit dem James Webb-Weltraumteleskop so weit in die Vergangenheit zu blicken wie möglich. Aber auch unsere eigene Milchstraße bleibt ein möglicher Fundort für die wahren Methusalem-Sterne.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf Apple Podcasts oder Spotify zu finden.

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• Population III Sterne

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Der Anfang vom Anfang war gemacht: Zu Beginn des 20. Jahrhunderts hatten Wissenschaftler herausgefunden, dass unser Universum nicht ewig und unveränderlich in all seiner Pracht existiert, sondern dass es in ferner Vergangenheit zunächst entstanden ist. Dieses Ereignis bezeichnen wir heute als Urknall – aber was ist dann passiert?

In dieser Folge erzählt Franzi die Geschichte eines Physikers namens Ralph Alpher, der herausgefunden hat, wie das Weltall und alles in ihm entstanden ist: wie die Materie in unser Universum kam, allen voran die beiden häufigsten chemischen Elemente Wasserstoff und Helium. Diese Urknall-Nukleosynthese ist bis heute eine der stärksten Hinweise darauf, dass das Universum in einem unvorstellbar heißen und dichten Zustand angefangen hat – und sie verrät uns außerdem, wie lange dieser Anfang vom Allem gedauert hat.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist ein Podcast der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• AstroGeo Podcast
• Urknall

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 10. Juni 2024.

10. Juni 2024 – Die Orkane, die in streifenartigen Sturmbändern über den Jupiter rasen, setzen sich weit ins Innere seiner Atmosphäre fort. Erst in einer Tiefe von etwa 2000 Kilometern dürften sie abrupt abreißen, wie Forschende des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen heute bestätigen. In der Fachzeitschrift Proceedings of the National Acadamy of Sciences (PNAS) stellen sie die Ergebnisse von Computersimulationen vor, welche die extremen Eigenschaften der Jupiter-Atmosphäre erstmals realistisch berücksichtigen. Demnach ändert sich die Struktur der Atmosphäre in etwa 2000 Kilometern Tiefe grundlegend: Dort muss sich eine stabile Gasschicht erstrecken, die wie eine Art Barriere das Aufsteigen und Absinken von Material unterdrückt. Grund dafür könnte zum Beispiel sein, dass Wasserstoff und Helium, die Hauptzutaten des Jupiters, dort nicht durchmischt, sondern nach Gewicht geschichtet vorliegen.

Das äußere Erscheinungsbild des Jupiters ist geprägt von seinen markanten Jetstreams: farblich klar abgesetzten Sturmbändern, die in latitudinaler Richtung verlaufen und dem gewaltigen Gasriesen eine Art Streifenmuster verleihen. Die Windgeschwindigkeiten, mit denen die Wolken dort um den Planeten jagen, nehmen es spielend mit denen der heftigsten irdischen Orkane auf und übersteigen sie zum Teil sogar. Nur an den Polen weht mit Geschwindigkeiten von etwa 100 Kilometern pro Stunde ein deutlich ruhigeres Lüftchen. Ob die Orkane nur die oberste, etwa 50 Kilometer dicke Wolkenschicht bestimmen oder deutlich tiefer in die darunter liegende Atmosphäre reichen, ist unklar. Die aktuellen Ergebnisse der Göttinger Forscher*innen stützen nun Theorien, wonach die Winde noch tief im Innern toben, dann aber ab einer bestimmten Tiefe recht abrupt abreißen.

Junos Blick unter die Wolkenschicht
Wie es unter der Wolkenschicht des Jupiters zugeht, sollte eigentlich die amerikanische Raumsonde Juno enthüllen. Vor acht Jahren erreichte sie das Jupitersystem. Aus einer Umlaufbahn um den Gasriesen registriert die Sonde minimale Veränderungen im Schwerfeld des Planeten. Diese erlauben auch Rückschlüsse auf die strömenden Gasmassen im Innern. Doch die Interpretation der Messdaten ist knifflig. Während eine internationale Forschergruppe unter Leitung des israelischen Weizmann-Instituts für Wissenschaften 2018 vermeldete, die Winde erstreckten sich einige tausend Kilometer in die Tiefe, blieben andere Wissenschaftler*innen skeptisch. Sie argumentieren, dass die Messdaten auch mit deutlich flacheren Orkanen in Einklang zu bringen seien.

In seinen Simulationen modelliert das Göttinger Team nun das komplexe Zusammenspiel von Auftrieb sowie magnetischen und Corioliskräften in einer Schicht, die 5600 Kilometer in die Atmosphäre des Jupiters reicht, am Computer. Der Radius des Jupiters miss mehr als 70.000 Kilometer. „Der Jupiter ist ein ausgesprochen extremer Ort; selbst die Vorgänge in dieser äußeren Schicht zu simulieren, ist eine riesige Herausforderung und stellt gewaltige Anforderungen an die Rechenleistung“, so Prof. Dr. Ulrich Christensen, Emeritus-Direktor am MPS und Erstautor der neuen Studie. Zudem stelle das grundsätzliche Verständnis, wie die verschiedenen Kräfte zusammenwirken um den plötzlichen Abfall der Windgeschwindigkeiten in der Tiefe zu bewirken, eine große theoretische Herausforderung dar, erklärt der Forscher.

Wichtige physikalische Eigenschaften wie etwa elektrische Leitfähigkeit und Dichte, die sich auf die Ergebnisse der Simulationen maßgeblich auswirken, verändern sich innerhalb der Jupiter-Atmosphäre drastisch. Unter der obersten Wolkenschicht liegen Wasserstoff und Helium, die beide Hauptbestandteile des Jupiters, in gasförmigem Zustand vor. Mit zunehmender Tiefe nimmt der Druck jedoch so stark zu, dass beide Gase zunächst in den flüssigen, tiefer unten sogar in den metallischen Zustand übergehen. In einer Tiefe von 5600 Kilometern, bis zu der die MPS-Forschenden die Vorgänge simuliert haben, erreicht die elektrische Leitfähigkeit zwar nicht die Werte typischer Metalle, hat aber im Vergleich zur Wolkenschicht um mehr als das Millionenfache zugenommen. Das neu entwickelte Modell ist erstmals in der Lage dies zu berücksichtigen.

Stabile Schicht gibt Rätsel auf
Die neuen Simulationen erlauben so den bisher realistischsten „rechnerischen“ Blick in die tiefe Jupiter-Atmosphäre. Wie sich zeigt, geben die Rechnungen nur dann das Magnetfeld des Jupiters richtig wieder, wenn tief in der Atmosphäre eine stabile Schicht angenommen wird. „Die stabile Schicht dürfte in etwa 2000 Kilometern Tiefe liegen“, erklärt Dr. Paula Wulff, Ko-Autorin der neuen Veröffentlichung, die nach ihrer Promotion am MPS nun an der University of California, Los Angeles forscht. „Die Orkanwindes des Jupiters reichen bis zur oberen Grenze dieser Schicht hinunter“, so Christensen. Erst an ihrem oberen Ende brechen die tiefen Orkanwinde abrupt ab. Der Effekt dürfte in der Nähe der Pole deutlich ausgeprägter sein. Dies könnte helfen zu erklären, warum dort die Winde in der Wolkenschicht langsamer wehen.

Genaue Eigenschaften der 2000 Kilometer tiefen Schicht sind nicht bekannt. Forschende mutmaßen, dass dort Wasserstoff und Helium nach Gewicht geschichtet – also unten Helium, oben Wasserstoff – vorliegen. Eine solche Schicht würde Bewegungen wie das Aufsteigen von Material aus größerer Tiefe ebenso wie das Absinken weiter außen liegenden Materials hemmen. Einen direkten Beweis für die Grenzschicht gibt es bisher nicht. Die MPS-Forscher*innen hoffen, dass es in Zukunft möglich sein wird, mit anderen Methoden Informationen über das Innere der Atmosphäre zu sammeln. Eine Möglichkeit dazu bieten die Eigenschwingungen des Jupiters, welche die Raumsonde Juno vor zwei Jahren aufzeichnen konnte. Störungen dieser Schwingungen können verraten, was genau sich im Innern des Gasriesen abspielt – und Junos Blick ins Innere des Planeten durch eine neue Methode verfeinern.

Originalveröffentlichung
Ulrich R. Christensen, Paula N. Wulff:
Quenching of zonal winds in Jupiter’s interior,
Proceedings of the National Academy of Sciences, 10. Juli 2024
dx.doi.org/10.1073/pnas.2402859121
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2402859121

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• Planet Jupiter

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Quelle: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf 11. Oktober 2023.

11. Oktober 2023 – Die nukleare Astrophysik untersucht die Entstehung der Elemente im Universum seit Anbeginn der Zeit. Ihre Modelle verwenden Parameter, die die Forschenden aus Messdaten gewinnen. Eine wichtige Rolle spielen dabei Kernreaktionen, die im Inneren der Sterne ablaufen. Ein Team des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat nun gemeinsam mit Forschenden aus Italien, Ungarn und Schottland am Dresdner Felsenkeller- Beschleuniger erneut eine der zentralen Reaktionen untersucht – mit einem überraschenden Ergebnis, wie sie im Fachmagazin Physical Review C (DOI: 10.1103/PhysRevC.107.L062801) berichten.

„Wir haben eine altbekannte Kernreaktion unter die Lupe genommen, die für die Elemententstehung in massereichen Sternen bedeutsam und darüber hinaus eine der frühesten ist, die im Labor mit Beschleunigern untersucht wurde: Die Kollision eines Wasserstoffkerns mit einem Kohlenstoffkern, in deren Folge das Isotop Stickstoff-13 entsteht und Gammastrahlung freigesetzt wird. Sie ist der erste Schritt des sogenannten CNO-Zyklus, auch als Bethe-Weizsäcker-Zyklus bekannt. Wir waren vor allem am Wirkungsquerschnitt dieser Reaktion interessiert, der Auskunft über die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens gibt“, sagt Prof. Daniel Bemmerer vom HZDR-Institut für Strahlenphysik.

Diesen Parameter hat ein Team aus italienischen, ungarischen, schottischen und deutschen Wissenschaftler*innen im Untertagelabor Felsenkeller nun mit bisher beispielloser Präzision bestimmt. Das überraschende Ergebnis: der bisher akzeptierte Wert muss um rund 25 Prozent nach unten korrigiert werden. Das Ergebnis legt nahe, dass das Einbrennen des CNO-Zyklus länger gedauert hat als bisher gedacht und die Emission solarer 13N-Neutrinos im Mittel näher am Zentrum der Sonne stattfindet als vermutet. Die neuen Daten erlauben zudem genauere theoretische Vorhersagen für das Verhältnis der Kohlenstoff-Isotope 12C/13C in Sternen, die wiederum helfen, Modelle für die Vorgänge in deren Innerem zu überprüfen und zu verbessern.

Die Sonne ins Labor holen – en miniature
Sterne beziehen ihre Energie aus der Fusion von Wasserstoff zu Helium. In Abhängigkeit der Masse des Himmelskörpers sind dafür unterschiedliche Prozesse bekannt. So läuft in massearmen Sternen wie unserer Sonne vor allem die sogenannte Proton-Proton-Kette ab. In massereichen Sternen pressen die starken Gravitationskräfte die Wasserstoffkerne jedoch so sehr zusammen, dass hier deutlich höhere Temperaturen herrschen. Dadurch können die Wasserstoffkerne zusätzlich mit Kohlenstoffkernen reagieren. Obwohl diese keine zwei Prozent der interstellaren Materie ausmachen, aus der Sterne entstehen, reicht diese Konzentration aus, um den CNO-Zyklus in Gang zu bringen und am Laufen zu halten. Sie wirken dabei als Katalysator: Sie beschleunigen die Reaktion, ohne jedoch selbst dabei verbraucht zu werden. Die Netto-Reaktion ist am Ende die gleiche wie beim Proton-Proton-Zyklus: die Fusion von Wasserstoff zu Helium. Doch in Sternen mit CNO-Zyklus läuft diese Reaktion wesentlich schneller ab.

„Als Targets verwenden wir Scheiben aus Tantal, auf die Kohlenstoff aufgedampft ist. Darauf schießen wir Protonen, die aus unserem 5-MV-Pelletron-Beschleuniger stammen und einen relativ weiten Energiebereich überstreichen. Die bei der Reaktion entstehenden Gammaquanten können wir mit 20 empfindlichen Reinstgermanium-Detektoren nachweisen“, schildert Bemmerer das experimentelle Vorgehen.

Das gemeinsam vom HZDR und der TU Dresden betriebene Untertagelabor Felsenkeller im Plauenschen Grund ist für solche Messungen optimal. Eine 45 Meter dicke Felsschicht im Stollen des ehemaligen Eislagers der Dresdner Felsenkeller-Brauerei schützt die Detektoren vor kosmischer Strahlung, deren Hintergrundsignale die Ergebnisse verfälschen können. Die aktuelle Arbeit ist darüber hinaus ein gutes Beispiel für die innereuropäische Zusammenarbeit in der Astrophysik-Community: Ein Doktorand der Universität Padua forschte während des Experiments für sechs Monate am Felsenkeller. Die Teilnahme weiterer Messgäste aus Italien, Ungarn und Schottland wurde von der EU im Rahmen des Projekts „ChETEC-INFRA“ finanziell unterstützt.

Originalpublikation:
J. Skowronski, E. Masha, D. Piatti, M. Aliotta, H. Babu, D. Bemmerer, A. Boeltzig, R. Depalo, A. Caciolli, F. Cavanna, L. Csedreki, Z. Fülöp, G. Imbriani, D. Rapagnani, S. Rümmler, K. Schmidt, R. S. Sidhu, T. Szücs, S. Turkat, A. Yadav: „Improved S factor of the 12C(p,γ)13N reaction at E=320–620 keV and the 422 keV resonance“, in Physical Review C 107, (2023) (DOI: 10.1103/PhysRevC.107.L062801)
https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.107.L062801

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• Unsere Sonne

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Quelle: MPIA 14. September 2023.

14. September 2023 – Das etwa 1.000 Lichtjahre von der Erde entfernte Objekt im Sternbild Perseus ist einer der jüngsten und nächstgelegenen Gasströme eines Protosterns und damit ein ideales Ziel für das JWST.

Herbig-Haro-Objekte umgeben neugeborene Sterne und entstehen, wenn Sternwinde oder Gasströme, die von diesen neugeborenen Sternen ausgehen, Stoßwellen bilden, wenn sie mit hoher Geschwindigkeit mit Gas und Staub in der Nähe zusammenstoßen. Eine neue, faszinierende JWST-Aufnahme von HH 211 zeigt den Ausstrom eines Protosterns der Klasse 0, eines frühen Gegenstücks zu unserer Sonne, das erst einige zehntausend Jahre alt ist und nur 8 % der Masse der heutigen Sonne hat (es wird irgendwann zu einem sonnenähnlichen Stern heranwachsen). Protosterne haben noch nicht das Stadium der Kernfusion erreicht.

Infrarotaufnahmen sind bei der Untersuchung neugeborener Sterne und ihrer Ausströmungen sehr hilfreich, da solche Sterne immer noch in die Gaswolke eingebettet sind, aus der sie entstanden sind. Die Infrarotstrahlung der Ströme durchdringt das trübende Gas und den Staub und macht ein Herbig-Haro-Objekt wie HH 211 ideal für die Beobachtung mit den empfindlichen Infrarotinstrumenten des JWST. Moleküle, die durch die turbulenten Bedingungen angeregt werden, darunter molekularer Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Siliziummonoxid, emittieren infrarotes Licht, das JWST erfassen kann, um die Struktur der Ausströmungen zu kartieren.

Das Bild zeigt eine Reihe von Bugstoßwellen, also durch Gas­kollisionen ausgelöste Strahlung, im Süd­osten (unten links) und Nordwesten (oben rechts) sowie den eingebetteten schmalen bipolaren Jet, der sie antreibt, in noch nie dagewesener Detailgenauigkeit – eine etwa fünf- bis zehnmal höhere räumliche Auf­lösung als alle bisherigen Bilder von HH 211. Diese Serie von angeregten Stoßwellen deutet auf eine epi­soden­hafte Frei­setzung von Gas hin, die in direktem Zu­sammen­hang mit dem Wachs­tum des Proto­sterns durch einfallenden Staub und Gas steht.

Der innere Jet „wackelt“ spiegelsymmetrisch auf beiden Seiten des zentralen Protosterns. Dies stimmt mit Beobachtungen auf kleineren Größenordnungen überein und deutet darauf hin, dass es sich bei dem Protostern tatsächlich um einen unaufgelösten Doppelstern handeln könnte.

„Solche Beobachtungen mit dem JWST liefern nicht nur atem­beraubende Bilder. Sie geben uns auch ein Werk­zeug in die Hand, mit dem wir die Ent­wicklung der direkten Vorgänger von Sternen in noch nie dagewesener Detail­genauigkeit untersuchen können“, sagt Thomas Henning, Direktor des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Deutschland. „Damit liefern die Beobachtungen unschätzbare Informationen für unser Verständnis der Sternentstehung.“

Frühere Beobachtungen von HH 211 mit bodengebundenen Teleskopen zeigten Gasbewegungen entlang des Ausflusses, indem sie eine Wellenlängenverschiebung der emittierten Strahlung maßen. Nun fand das Team riesige rotverschobene (nordwestlich) und blauverschobene (südöstlich) Bugstoßwellen und hohlraumartige Strukturen im Licht des angeregten Wasserstoffs bzw. Kohlenmonoxids sowie einen knotenreichen und schlängelnden doppelseitigen Jet im Licht des Siliziummonoxids. Mit diesen neuen Beobachtungen mit NIRCam und NIRSpec an Bord des JWST fanden die Forschenden heraus, dass der Gasstrom des Objekts im Vergleich zu ähnlichen, aber weiter entwickelten Protosternen, relativ langsam ist.

Das Team maß die Geschwindigkeit der innersten Jetstrukturen auf etwa 80 bis 100 Kilometer pro Sekunde. Der Geschwindigkeitsunterschied zwischen diesen Abschnitten des Ausflusses und dem vorgelagerten Material, mit dem sie kollidieren – die Geschwindigkeit der Stoßwelle – ist jedoch viel geringer. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Ausströmungen der jüngsten Sterne, wie die im Zentrum von HH 211, hauptsächlich aus Molekülen bestehen, da die Stoßwellengeschwindigkeiten vergleichsweise niedrig sind und die Energie nicht ausreicht, um die Moleküle in einfachere Atome und Ionen aufzuspalten.

Hintergrundinformationen
Die an dieser Forschung beteiligten MPIA-Forscher sind H. Beuther (Co-I), Th. Henning, und M. Güdel (ebenfalls ETH Zürich, Schweiz und Universität Wien, Österreich).

Die Astronomen beobachteten HH 211 im Rahmen des JWST Cycle 1 Observation Program 1257, „The Young Protostellar Outflow HH211“ (PI: Thomas Ray).

Das Weltraumteleskop James Webb (JWST) ist das weltweit führende Observatorium für die Weltraumforschung. JWST ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner ESA (Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumorganisation).

Die Nahinfrarotkamera (NIRCam) und der Nahinfrarotspektrograf (NIRSpec) sind zwei der vier wissenschaftlichen Instrumente des JWST. NIRCam ist der primäre Nahinfrarot-Bildgeber des JWST und liefert hochauflösende Bilder und Spektroskopie für eine Vielzahl von Untersuchungen. NIRSpec bietet niedrig-, mittel- und hochauflösende spektroskopische Beobachtungen im nahen Infrarot (von 0,6 bis 5,0 Mikrometer). Er wurde von der europäischen Industrie nach den Spezifikationen der ESA gebaut. Das MPIA lieferte die Mechanismen für die Filter- und Gitterräder.

Diese Pressemitteilung basiert auf einem ähnlich lautenden Artikel von ESA und STScI/NASA.

Originalveröffentlichung
T. P. Ray et al.
Outflows from the Youngest Stars are Mostly Molecular
Nature (2023)
DOI: dx.doi.org/10.1038/s41586-023-06551-1
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06551-1

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• JWST – James Webb Space Telescope

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Quelle: Universität Stuttgart 17. Februar 2023.

17. Februar 2023 – Cygnus X ist eine ausgedehnte Region in etwa 5.000 Lichtjahren Entfernung von der Erde, in der aus Gas und Staub ständig neue Sterne entstehen. Wie genau dieser Prozess abläuft, war bisher nicht bekannt. Ein internationales Team um Nicola Schneider von der Universität zu Köln konnte nun anhand von Beobachtungen mit der fliegende Sternwarte SOFIA zeigen, dass sich in Cygnus X die Gaswolken, aus denen letztlich die neuen Sterne entstehen, in nur einigen Millionen Jahren bilden. Das ist für astronomische Zeitskalen schnell und steht im Widerspruch zur bisherigen Lehrmeinung, nach der dieser Prozess quasi-statisch abläuft und dann typischerweise mehrere hundert Millionen Jahre dauern sollte.

Diese neuen SOFIA-Daten zeigen weiter, dass diese Hochgeschwindigkeits-Gaswolken in Cygnus X im Innern einen dichten Kern aus molekularem Wasserstoff (H₂) aufweisen, der von einer Hülle aus atomarem Wasserstoff (H) umgeben ist. Diese beiden Regionen stehen in einer hochdynamischen Wechselwirkung zueinander, so dass ihre Hüllen mit bis zu zwanzig Kilometern pro Sekunde miteinander kollidieren. „Durch diese hohe Geschwindigkeit wird das Gas zu dichteren, molekularen Gebieten komprimiert, in denen sich neue, hauptsächlich massereiche Sterne bilden“, so Nicola Schneider.

Die Beobachtungen von Cygnus X wurden im Rahmen von SOFIAs internationalem Langzeitprogramm FEEDBACK unter der Leitung von Nicola Schneider und Alexander Tielens (University of Maryland) durchgeführt. Es widmet sich der Frage, welche Prozesse die Sternentstehung hauptsächlich antreiben und wie sich diese zwischen verschiedenen Sternentstehungsgebieten unterscheiden.

Da atomarer Wasserstoff in Sternentstehungsgebieten schwer zu detektieren ist, beobachten Forschende üblicherweise die Spektrallinien des ionisierten Kohlenstoffs (CII) bei 158 Mikrometern, der im interstellaren Gas ein verlässlicher Indikator für das Vorhandensein von atomarem Wasserstoff ist. „Wir brauchen die CII-Beobachtungen, um dieses ansonsten ‚dunkle‘ Gas nachzuweisen“, sagt Dr. Schneider. „Nur mit SOFIA und seinen empfindlichen Instrumenten konnten wir nun zum ersten Mal diese schwache CII-Strahlung aus den Randgebieten einer solchen Wolke messen.“

Nachdem SOFIA seinen Beobachtungsbetrieb zum Ende September 2022 eingestellt hat, sind die bisher gemessenen Daten von großer Bedeutung für die astronomische Grundlagenforschung, denn es gibt kein anderes Observatorium, das in dem Wellenlängenbereich zwischen 30 und 300 Mikrometern beobachten und ausgedehnte Kartierungen anfertigen kann. Das jetzt aktive James Webb-Weltraumteleskop beobachtet im Infrarotbereich bei kürzeren Wellenlängen bis 28 Mikrometer und konzentriert sich auf räumlich kleine Gebiete. „In der Liste der bislang beobachteten FEEDBACK Quellen befinden sich weitere Gaswolken in unterschiedlichen Entwicklungsstadien, in denen wir jetzt die schwache CII-Strahlung in den Randgebieten der Wolken suchen, um ähnliche Wechselwirkungen wie in der Cygnus X Region aufzuspüren“, so Schneider.

„Nicht nur mit seinen verschiedenen Langzeitstudien stellt das SOFIA-Team kommenden Generationen von Astronominnen und Astronomen möglichst umfangreiche und vollständige Datensätze im Ferninfraroten zur Verfügung, die auch weit über SOFIAs eigentliche Betriebszeit hinaus unter verschiedensten Blickwinkeln analysiert werden können“, so Bernhard Schulz, SOFIA Science Mission Operations Deputy Director vom Deutschen SOFIA Institut, das an der Universität Stuttgart SOFIAs Betrieb auf deutscher Seite koordiniert. „Das SOFIA-Datenarchiv wird noch viele spektakuläre Erkenntnisse im Bereich der Sternentstehung und anderen astronomische Forschungsgebieten möglich machen.“

Originalveröffentlichung:
“Ionized carbon as a tracer for the assembly of interstellar clouds”, Nicola Schneider et al. 16. Februar 2023, Nature Astronomy
https://www.nature.com/articles/s41550-023-01901-5

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Sterne gibt es entweder im Miniaturformat: Von Roten Zwergen über die uns vertrauten sonnenähnlichen Sterne bis zu den geradezu überdimensionierten Gesellen: Blaue Riesen. Sie können einige hundert Mal so groß wie die Sonne sein. Zu einem Besuch wird abgeraten: In ihrer Umgebung geht es hoch her. Und doch haben wir den Blauen Riesen eine ganze Menge zu verdanken: den Kohlenstoff, aus dem das Leben besteht oder den Sauerstoff, den wir in jedem Moment atmen. Ohne Blaue Riesen gäbe es uns wahrscheinlich nicht.

Doch Blaue Riesen sind nicht nur recht selten, sondern es gibt sie auch nur für relativ kurze Zeit: Die Kernfusion in ihrem Innern hält nur wenige Millionen Jahre durch, bevor Blaue Riesen als Supernova explodieren. Und dann ist da auch noch die Tatsache, dass gerade diese riesigen Sterne üblicherweise nicht allein vorkommen, sondern fast immer einen Begleitstern haben. Und wenn der auch ein Blauer Riese ist, dann wird es richtig spannend!

In dieser Folge von AstroGeo erzählt Franzi die Geschichte der massereichsten Sterne im Universum: wie sie aussehen, warum ihre Entwicklung so spannend ist und was wir ihnen zu verdanken haben – vor allem, wenn sie im Doppelpack vorkommen. Plus Beobachtungstipps, wo und wie ihr selbst Blaue Riesen sehen könnt.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban alle zwei Wochen eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist der Podcast von Die Weltraumreporter, einem Magazin der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement die Weltraumreporter für 3,49 Euro pro Monat oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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Quelle: Universität Innsbruck 19. September 2022.

19. September 2022 – Vom Baby bis zum Teenager: Sterne in ihren „jungen Jahren“ stellen die Wissenschaft vor große Herausforderungen. Der Prozess der Sternentstehung ist besonders komplex und schwer in theoretischen Modellen abzubilden. Eine der wenigen Möglichkeiten, um mehr über die Entstehung, die Struktur oder das Alter von Sternen zu erfahren, ist das Beobachten ihrer Schwingungen. „Vergleichbar mit der Erforschung des Erdinneren mithilfe der Seismologie können wir aus den Schwingungen von Sternen ebenso Aussagen über ihren inneren Aufbau und damit auch über ihr Alter treffen“, sagt Konstanze Zwintz. Die Astronomin gilt als Pionierin auf dem jungen Forschungsgebiet der Asteroseismologie und leitet die Forschungsgruppe „Sternentwicklung und Asteroseismologie“ am Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck. Die Lehre von Sternschwingungen hat sich in den letzten Jahren stark weiterentwickelt, nicht zuletzt da sich die Möglichkeiten der präzisen Beobachtung durch Teleskope im Weltraum wie TESS, Kepler und James Webb auf vielen Ebenen verbessert haben. Diese Fortschritte werfen nun auch neues Licht auf jahrzehntelang gängige Theorien zur Entwicklung von Sternen.

Mit neuem Modell zur Stunde Null des erwachsenen Sterns
Sterne werden als „Kinder“ bezeichnet, solange sie in ihrem Kern noch nicht Wasserstoff zu Helium verbrennen. In diesem Stadium befinden sie sich auf der so genannten Vorhauptreihe, nach dem Zünden werden sie erwachsen und wechseln auf die Hauptreihe. „Die Forschung zu Sternen hat sich bislang vor allem auf die Phase des erwachsenen Sterns – wie es beispielsweise unsere Sonne ist – fokussiert“, sagt Thomas Steindl, Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Konstanze Zwintz und Hauptautor der Studie. „Auch wenn es auf den ersten Blick nicht sehr intuitiv klingt, aber bislang wurde die Entwicklung der Vorhauptreihe kaum beachtet, da die Phase sehr turbulent und schwer zu modellieren ist. Erst die technologischen Fortschritte der letzten Jahre erlauben uns einen genaueren Blick in die Kindheit der Sterne – und damit auch auf jenen Moment, an dem der Stern beginnt Wasserstoff zu Helium zu fusionieren.“ In ihrer aktuellen Studie legen die beiden Innsbrucker Forscher*innen nun ein Modell vor, mit dem die Phase vor dem Erwachsenwerden der Sterne realistisch abgebildet werden kann. Zugrunde liegt dabei das Open-Source-Sternentwicklungsprogramm MESA (Modules for Experiments in Stellar Astrophysics). Inspiriert durch einen Vortrag des Astronomen Eduard Vorobyov von der Universität Wien bei einer Tagung im Jahr 2019, verfeinerte Thomas Steindl in monatelanger Arbeit die Methode, wie mithilfe dieses Sternentwicklungscodes die chaotische Phase der frühen Sternentstehung nachgebildet werden kann, um anschließend deren spezifische Schwingungen vorherzusagen.

„Unsere Daten zeigen, dass Sterne auf der Vorhauptreihe in ihrer Entwicklung einen sehr chaotischen Verlauf nehmen, den wir nun aber trotz seiner Komplexität auch in unserem neuen theoretischen Modell heranziehen können“, so Steindl. Dadurch zeigt der Astronom, dass die Art und Weise der Entstehung des Sterns Auswirkungen auf das Schwingungsverhalten auch nach dem Zünden auf der Hauptreihe hat: „Die Kindheit hat einen Einfluss auf das spätere Pulsieren des Sterns: Das klingt sehr simpel, es wurde aber tatsächlich bezweifelt. In den klassischen Theorien ging man davon aus, dass die Zeit vor dem Zünden schlicht irrelevant ist. Das stimmt so nicht: Vergleichbar mit einem Musikinstrument führen schon feinste Unterschiede im Zusammenbau zu signifikanten Änderungen im Ton. So beschreiben unsere modernen Modelle die Schwingungen in realen Sternen besser.“

Konstanze Zwintz freut sich über diese Entdeckung und blickt sehr optimistisch in die Zukunft: „Ich war bereits vor etwa 20 Jahren, als ich erstmals die Schwingung eines Sternes vor mir auf dem Bildschirm gesehen habe, überzeugt davon, die Bedeutsamkeit der frühen Sternentwicklung auf den ‚erwachsenen‘ Stern eines Tages belegen zu können. Dank der großartigen Arbeit von Thomas Steindl ist uns das nun gelungen: Definitiv ein Heureka-Moment für unsere Arbeitsgruppe und ein weiterer Grundstein für ein besseres Verständnis der Wachstumsschritte von Sternen.“

Publikation
The imprint of star formation on stellar pulsations. Thomas Steindl, Konstanze Zwintz, Eduard Vorobyov. Nature Communications 2022
DOI: 10.1038/s41467-022-32882-0
https://www.nature.com/articles/s41467-022-32882-0

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• Sternentstehung

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Quelle: Universität Kassel 2. August 2022.

2. August 2022 – Moleküle wechselwirken mit Licht, auch im Universum. Deren Signale, sogenannte Emissions-Spektren, können wir auf der Erde mit Teleskopen empfangen und auswerten. Ein zentrales Forschungsobjekt der Astronomie ist das Wasserstoffmolekül: Mit Daten seiner auf der Erde empfangenen Spektren können zum Beispiel die Entstehung und Entwicklung von Sternen, die Atmosphären von Planeten und verschiedene astrochemische Prozesse untersucht werden.

Doch um die Daten aus dem All auswerten zu können, muss man den Wasserstoff erst einmal gut kennen. Forschende des Instituts für Physik und des Center for Interdisciplinary Nanostructure Science and Technology der Uni Kassel tragen deshalb systematisch die relevanten Daten über die grundlegenden Eigenschaften des Wasserstoffmoleküls zusammen. Ihre experimentelle Methode und erste Ergebnisse haben sie im Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics vorgestellt, u.a. auch eine neuartige Darstellung der Spektren als zweidimensionale Karte, die die Orientierung im komplexen Wasserstoff-Emissionsspektrum erheblich vereinfacht.

In den Experimenten regten die Forschenden molekularen Wasserstoff mit monochromatischer Synchrotronstrahlung an, um ihn in verschiedene energetischen Zustände zu bringen. Die darauf folgende Lichtemission zeichneten sie auf, und zwar im gesamten Bereich der vakuumultravioletten und fernen ultravioletten Strahlung. Etwa 20 000 Einzelspektren ergaben so die zweidimensionale sogenannte PhexPhem-Karte. Sie soll in Zukunft Astrophysikern und Astrophysikerinnen als Vergleichsgrundlage dienen, um Wasserstoff-Spektren aus dem All auswerten zu können – aus den jeweils empfangenen Daten können die Forschenden dann auf die Zustände schließen, die der Wasserstoff im Weltall eingenommen hatte, aber auch auf die Ursachen des den Wasserstoff anregenden Strahlungsfeldes.

„Diese Darstellung unserer Daten hat das Potenzial, in Standardlehrbücher der Molekülphysik einzugehen. Die PhexPhem-Karte ist ein Wissensspeicher im wahrsten Sinne des Wortes, mit denen Forschende auf der ganzen Welt arbeiten können, um die Details unseres Universums zu entschlüsseln“, beschreibt Prof. Dr. Arno Ehresmann, Leiter der Forschungsgruppe.

Das Forschungsprojekt der Gruppe um Ehresmann ist Teil des Wissensspeichers der Uni Kassel, (Königsgalerie, Eingang Florentiner Platz). Das Ausstellungsprojekt Wissensspeicher ist ein Schaufenster, das im documenta-Sommer die Vielfalt von Forschung und Lehre an der Universität Kassel zeigt. Für das Konzept greift die Transfer-Einrichtung der Universität UniKasselTransfer die Metapher der diesjährigen documenta fifteen auf: Lumbung – den indonesischen Begriff für einen gemeinschaftlich genutzten Reisspeicher, in dem die eingefahrene Ernte der Dorfgemeinschaft zur Verfügung gestellt und geteilt wird. „Das passt wunderbar zur Kernidee von Wissenschaft, neue Erkenntnisse und Innovationen zu schaffen, die sie dann mit der Gesellschaft teilt“, so Daniel Opper, Leiter von UniKasselTransfer.

Wissensspeicher der Universität
Vom 20. Juli bis 21. August in der Königsgalerie/am Florentiner Platz, Eintritt frei. Öffnungszeiten und weitere Informationen unter: www.uni-kassel.de/go/wissensspeicher.

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Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich), ETH-News Arian Bastani 8. Juli 2022.

Obwohl die Erde seit langem detailliert untersucht wird, sind einige grundlegende Fragen immer noch nicht beantwortet. Eine davon betrifft die Entstehung unseres Planeten, über dessen Anfänge sich die Forschenden immer noch im Unklaren sind. Nun schlägt ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der ETH Zürich und des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS basierend auf Laborexperimenten und Computersimulationen eine neue Antwort auf diese Frage vor. Die Studie haben die Forschenden in der Fachzeitschrift Nature Astronomy publiziert.

Eine unerklärliche Diskrepanz
«Die vorherrschende Theorie in der Astrophysik und Kosmochemie besagt, dass die Erde aus sogenannten chondritischen Asteroiden entstanden ist. Das sind relativ kleine, einfache Blöcke aus Gestein und Metall, die sich früh im Sonnensystem gebildet haben», erklärt der Hauptautor der Studie, Paolo Sossi, Professor für experimentelle Planetologie an der ETH Zürich. «Das Problem an dieser Theorie ist, dass keine Mischung dieser Chondriten die exakte Zusammensetzung der Erde erklären kann. Diese ist wesentlich ärmer an leichten, flüchtigen Elementen wie Wasserstoff und Helium als man erwarten würde.»

Um diese Diskrepanz zu erklären, wurden im Laufe der Jahre verschiedene Hypothesen formuliert. So wurde beispielsweise postuliert, dass die Kollisionen der Objekte, aus denen sich später die Erde bildete, zu einer starken Erhitzung geführt haben. Dadurch seien die leichten Elemente verdampft, so dass am Ende eben ein Planet mit der heutigen Zusammensetzung der Erde zurückblieb.

Misst man jedoch die Isotopenzusammensetzung von verschiedenen Elementen auf der Erde, werden diese Theorien unplausibel, ist Sossi überzeugt: «Die Isotope eines chemischen Elements haben alle gleich viele Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen. Isotope mit weniger Neutronen sind leichter und sollten daher einfacher entweichen können. Wäre die Theorie der Verdampfung durch Erhitzung richtig, würde man heute auf der Erde weniger von diesen leichten Isotopen finden als in den ursprünglichen Chondriten. Doch genau das zeigen die Isotopenmessungen eben nicht.»

Ein kosmischer Schmelztiegel
Das Team um Sossi hat daher nach einer anderen Lösung gesucht. «Dynamische Modelle, mit denen wir die Entstehung von Planeten simulieren, zeigen, dass sich die Planeten in unserem Sonnensystem nach und nach gebildet haben. Anfänglich kleine Körner sind mit der Zeit zu kilometergroßen Planetesimalen herangewachsen, indem sie durch ihre Anziehungskraft immer mehr Material angesammelt haben», erklärt Sossi. Ähnlich wie Chondrite sind auch Planetesimale kleine Körper aus Gestein und Metall. Aber im Gegensatz zu Chondriten wurden sie ausreichend erhitzt, um sich in einen metallischen Kern und einen felsigen Mantel zu differenzieren. «Außerdem können Planetesimale, die sich in verschiedenen Gebieten um die junge Sonne oder zu verschiedenen Zeiten gebildet haben, eine sehr unterschiedliche chemische Zusammensetzung aufweisen», ergänzt Sossi. Die Frage ist nun: Könnte die zufällige Kombination verschiedener Planetesimale tatsächlich zu einer Zusammensetzung führen, die derjenigen der Erde entspricht?

Um dies herauszufinden, führte das Team Simulationen durch, bei denen Tausende von Planetesimalen im frühen Sonnensystem miteinander kollidierten. Dabei wurden die Modelle so ausgelegt, dass mit der Zeit Himmelkörper entstanden, welche den vier Gesteinsplaneten Merkur, Venus, Erde und Mars entsprechen. Die Simulationen zeigen nun, dass eine Mischung vieler verschiedener Planetesimale tatsächlich zur effektiven Zusammensetzung der Erde führen könnte. Mehr noch: Die Zusammensetzung der Erde ist sogar das statistisch wahrscheinlichste Ergebnis dieser Simulationen.

Eine Blaupause für andere Planeten
«Auch wenn wir es vermutet hatten, war dieses Ergebnis für uns doch sehr bemerkenswert», erinnert sich Sossi. «Wir haben jetzt nicht nur einen Mechanismus, der die Entstehung der Erde besser erklärt, sondern auch eine Referenz, um die Entstehung der anderen Gesteinsplaneten zu erklären», meint der Forscher. Man könnte mit dem Mechanismus zum Beispiel vorhersagen, wie sich die Zusammensetzung des Merkurs von jener anderer Gesteinsplaneten unterscheidet. Oder wie felsige Exoplaneten anderer Sterne zusammengesetzt sein könnten.

«Unser Studie zeigt, wie wichtig es ist, sowohl die Dynamik als auch die Chemie zu berücksichtigen, wenn man die Entstehung von Planeten verstehen will», hält Sossi fest. «Ich hoffe, dass unsere Erkenntnisse zu einer engeren Zusammenarbeit zwischen Forschenden aus diesen beiden Bereichen führen.»

Publikation
Sossi P et.al. Stochastic accretion of the Earth. Nature Astronomy, 8. Juli 2022. DOI: 10.1038/s41550-​022-01702-2
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01702-2

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• Planetenentstehung

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Quelle: OHB SE 4. Juli 2022.

Kourou/Augsburg, 4. Juli 2022. Die Europäische Weltraumorganisation (ESA), die französische Raumfahrtagentur CNES, die zur OHB SE gehörende MT Aerospace AG sowie eine Gruppe europäischer Partner aus Industrie und Wissenschaft haben sich zusammengeschlossen, um die mit Orbitalstarts verbundenen CO₂-Emissionen zu reduzieren. Sie beabsichtigen, eine Infrastruktur zur Förderung eines Wasserstoff-Ökosystems aufzubauen, das den europäischen Weltraumbahnhof in Französisch-Guayana versorgt. Das Projekt HYGUANE (HYdrogène GUyanais A Neutralité Environnementale) zielt darauf ab, eine Pilotanlage im Raumfahrtzentrum zu errichten, die 130 Tonnen erneuerbaren Wasserstoff pro Jahr produzieren kann, um die Treibhausgas-Emissionen am Startplatz drastisch zu reduzieren.

Von grau zu grün
Im Mittelpunkt des Plans steht die Umstellung von „grauem“ Wasserstoff – der in einem zwar weitverbreiteten, aber recht CO₂-emissionsintensiven industriellen Verfahren, der sogenannten Methanol-Dampfreformierung, hergestellt wird – auf grünen Wasserstoff, der durch Wasserelektrolyse mit erneuerbaren Energien erzeugt wird. Mit der Verwendung des erneuerbaren Wasserstoffs für die Betankung von Raketen lassen sich die mit dem Ariane-Programm verbundenen CO₂-Emissionen um mehrere tausend Tonnen pro Jahr reduzieren.

HYGUANE wird außerdem zum Entstehen eines Wasserstoff-Ökosystems in Französisch-Guayana beitragen, das die Einführung eines mit Wasserstoff betriebenen Personen- und Güterschwertransports sowie von Wasserstoff-Brennstoffzellen zur Energiespeicherung möglich macht.

Die Partner haben kürzlich eine Interessenbekundung für das Projekt unterzeichnet und damit den Weg für die Verwirklichung eines Plans geebnet, an dem bereits seit mehreren Jahren gearbeitet wird. Ein innovatives Co-Finanzierungskonzept bündelt Mittel der ESA, der Industriepartner und des nationalen Konjunkturprogrammes Frankreichs.

Künftiges Wasserstoff-Kompetenzzentrum unter MT-Aerospace-Verantwortung
Geplant ist außerdem die Einrichtung eines Wasserstoff-Kompetenzzentrums in Französisch-Guayana unter Verantwortung der MT Aerospace, um spezifisches Know-how für die Wartung und den Betrieb dieser neuen Systeme zu entwickeln und Start-ups zu unterstützen.

„Wir sind seit 25 Jahren ein verlässlicher Partner am Weltraumbahnhof CSG in Französisch Guyana, wo wir für Bodenanlagen und Startvorbereitungen zuständig sind. Dieses Know-how möchten wir genau wie unsere über Jahrzehnte aufgebaute Kompetenz in der Wasserstoff-Mobilität einbringen, um eine nachhaltigere Zukunft mitzugestalten – sozial, ökologisch und ökonomisch“, sagt Ulrich Scheib, Präsident MT Aerospace Guyane mit 70 Mitarbeitern und Vorstand MT Aerospace AG. Weitere Kooperationspartner sind AirLiquide, SARA, Be.Blue, die Université de Guyane sowie die Université de Liège.

ESA und CNES treiben Dekarbonisierung von Raketenstarts voran
„Die Investition in die Produktion von erneuerbarem Wasserstoff am Weltraumbahnhof wird die Kosten senken, die Anfälligkeit für steigende Preise für fossile Brennstoffe verringern und das Stromnetz von Französisch-Guayana entlasten. Mit HYGUANE werden wir den Emissionszielen der COP21 und des europäischen Green Deals weit voraus sein“, so Teddy Peponnet, Leiter des ESA-Projekts „Europäische Startplatz-Infrastruktur und erneuerbare Energien“

Daniel Neuenschwander, ESA-Direktor für Raumtransport, zeigt sich erfreut über den Fortschritt im HYGUANE-Projekt: „Dies ist ein guter Schritt zur ökologischeren Gestaltung des europäischen Weltraumbahnhofs. Die Zahl der Starts nimmt rasch zu, so dass jetzt der richtige Zeitpunkt für Investitionen ist. Ein grünes Wasserstoffsystem wird die ökologische Nachhaltigkeit unterstützen, die Kosten stabilisieren und den Betrieb des Startplatzes vor Unterbrechungen der Energieversorgung schützen.“

„Wir werden auch dazu beitragen, ein Energie- und Mobilitätssystem aufzubauen, das den Bürgerinnen und Bürgern von Französisch-Guyana zu Gute kommt. CNES ist stolz darauf, ein wichtiger Akteur auf diesem Weg zu sein“, ergänzt Laurence Monnoyer-Smith, CNES-Direktorin für Entwicklung und Leistungsfähigkeit im Bereich Nachhaltigkeit.

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• OHB-System

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