Der Ursprung unseres Kosmos und die damit verbundene Entstehung von Raum, Zeit und Materie ist ein bis heute noch nicht vollständig verstandenes naturwissenschaftliches Phänomen. Insbesondere für die geheimnisvolle dunkle Materie und die noch rätselhaftere dunkle Energie gibt es zwar viele indirekte Hinweise und theoretische Modelle um sie zu beschreiben, aber keine direkten Messungen, um ihre Natur aufzuklären. Aus diesem Grund arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf der ganzen Welt daran, mehr über die Anfänge und die Struktur des Universums zu erfahren. Eine Pressemitteilung der FH Aachen.
Quelle: FH Aachen.
19. Januar 2022 – Beispielsweise werden Weltraumteleskope, wie „Hubble“ im Jahr 1990, mit einer Rakete in den Kosmos geschickt, um noch weiter entfernte Galaxien zu entdecken und so mehr über das frühe Universum zu lernen. Hubble sucht seitdem in der Dunkelheit des Universums nach Lichtquellen, vorrangig im sichtbaren und UV- Strahlungsbereich, aber auch im nahen Infrarotbereich. Es lieferte dadurch in den letzten dreißig Jahren Millionen Fotos von Planeten in unserem Sonnensystem, Sternen, Galaxien sowie noch exotischeren Objekten. Bis zu 13 Milliarden Lichtjahre tief kann Hubble dabei in den Weltraum schauen und bietet einzigartige Einblicke in die Vergangenheit des Kosmos.
Jetzt wird Hubble von seinem Nachfolger, dem James-Webb-Weltraumteleskop, abgelöst. Das neue Teleskop ist im Gegensatz zu Hubble auf Infrarotstrahlung spezialisiert und kann damit noch weiter entfernte Objekte erkennen, weil das Licht dieser Objekte aufgrund ihrer großen Entfernung und der Ausdehnung des Universums nur noch als infrarote Wärmestrahlung bei uns ankommt.
Kooperation der RWTH und FH Aachen
An den Aachener Hochschulen RWTH und FH Aachen werden Pläne für ein noch größeres Weltraum-Forschungsinstrument entwickelt: Im Gegensatz zu Hubble oder James-Webb geht es bei diesem Modell aber nicht um die Suche nach Licht, sondern um die Untersuchung von kosmischen Teilchen. Unter der Projektleitung von Prof. Dr. Stefan Schael der RWTH Aachen arbeiten unter anderem zwei Forscher der FH Aachen, Prof. Dr. Markus Czupalla und Prof. Dr. Bernd Dachwald, an einem neuen Modell eines Alpha-Magnet-Spektrometers.
Blick in die Vergangenheit
Teleskope wie Hubble oder das James-Webb suchen im Weltraum nach der Lichtstrahlung von Planeten, Sternen und Galaxien. Deren Licht benötigt die Zeit ihrer Entfernung in Lichtjahren, bis es von Teleskopen in unserem Sonnensystem wahrgenommen werden kann, also bis zu 13 Milliarden Jahre. Daher bieten diese Forschungsinstrumente einen Blick in die Vergangenheit, und je größer die Auflösung und der Spektralbereich der jeweiligen Teleskope ist, desto tiefer können sie in unser Universum blicken. Das James-Webb-Teleskop ist dabei das bisher ambitionierteste astronomische Projekt der Raumfahrt. Der Hauptspiegel des Forschungsinstruments hat einen Durchmesser von 6,5 Metern und eine Fläche von knapp 25 Quadratmetern. Der Spiegel bietet durch seine einzigartige Größe eine bisher noch nie da gewesene Qualität der Bilder und gleichzeitig eine hohe Sensitivität für Infrarotlicht. Mit dieser Ausstattung ist das James-Webb-Teleskop das größte aller Zeiten. Knapp drei Jahrzehnte lang haben die Forscherinnen und Forscher das Teleskop entwickelt und es allen erdenklichen Tests unterzogen.
Das James-Webb-Teleskop – nicht nur die Größe ist einzigartig
Prof. Dr. Markus Czupalla vom Fachbereich Luft- und Raumfahrttechnik der FH Aachen kennt die Herausforderungen bei der Entwicklung solcher Weltraumteleskope: „Ein großes Risiko für eine solche Mission ist der Raketenstart und die Inbetriebnahme im Orbit. Selbst wenn der Start erfolgreich ist, sind die beweglichen Komponenten beim James-Webb-Teleskop eine Herausforderung.“ Insgesamt 178 Auslösemechanismen mussten im Weltraum funktionieren, damit das James-Webb-Teleskop seine Arbeit aufnehmen kann, denn die Ingenieurinnen und Ingenieure mussten das Teleskop faltbar konstruieren, weil es durch die ungewöhnliche Größe in keine Rakete passt.
„Alles, was sich bewegt, birgt ein Risiko“, erklärt Prof. Czupalla, „anders als beim Hubble kann niemand dem Teleskop helfen, wenn die Technik versagt“. Hubble war in einem Orbit, der für die Astronauten mit dem Space Shuttle gerade noch erreichbar war, und konnte somit gewartet werden. Das James-Webb-Teleskop dagegen ist viel weiter entfernt von der Erde platziert, um von der thermischen Strahlung der Erde und dem reflektierten Sonnenlicht möglichst geschützt zu sein. Dieser Punkt liegt auf der Verbindungslinie von Erde und Sonne und befindet sich 1,5 Millionen Kilometer entfernt von unserem Planeten, auf der sonnenabgewandten Seite – dem sogenannten Lagrange-Punkt L2. Auch das unter der Leitung von Prof. Schael geplante Alpha-Magnet-Spektrometer soll wie das James-Webb-Teleskop in einen Orbit am Punkt-L2 platziert werden. Der Analyse der komplexen Orbits um den Punkt-L2 für das Forschungsprojekt widmet sich Prof. Dr. Bernd Dachwald in seiner raumflugdynamischen Forschung der FH Aachen.
Vorbild für FH-Forschung
Während das James-Webb-Teleskop die Infrarotstrahlung im Kosmos misst, sind Magnet-Spektrometer Teilchendetektoren. Das bedeutet: Sie untersuchen die Zusammensetzung von kosmischer Strahlung, wie sie in kosmologischen Modellen vorkommt und unter anderem als Relikt aus den Anfängen des Universums erwartet wird. Das neue Alpha-Magnet-Spektrometer „AMS-100“ soll der Nachfolger von AMS-02 werden, das derzeit auf der Internationalen Raumstation betrieben wird. AMS-100 wird in Kooperation der RWTH Aachen mit der FH Aachen sowie weiteren Partnern entwickelt.
Die Aufgabe von AMS-100
Kurz nach dem Urknall bestand das Universum nur aus Energie, die sich nach Einsteins berühmter Formel E = mc² in Materie umwandelte. Energie hat aber keine Ladung, daher wurde in diesen Prozessen genau so viel Materie wie Anti- Materie produziert. Das uns umgebende Universum besteht aber nur aus Materie. Was ist also mit der Anti-Materie nach dem Urknall passiert? Sind eventuell noch leichte Anti-Materie-Kerne, wie Anti-Helium in der kosmischen Strahlung vorhanden? Diese Fragen möchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit dem Forschungsprojekt AMS-100 beantworten.
Bis jetzt wurde Antimaterie nur in Experimenten in Teilchenbeschleunigern, wie CERN, erzeugt. Prof. Schael und sein Team möchten jedoch einen Nachweis für Anti-Helium in der Natur – in unserem Kosmos – aufspüren. Momentan ist kein Spektrometer empfindlich genug, um den Nachweis zu erbringen. AMS-100 soll das nun ändern. Sollte das Teleskop einen Nachweis für Anti-Helium finden, würde es den Blick der Wissenschaft auf unser Universum verändern und maßgeblich zum Verständnis des Anfangs von unserem Universum beitragen.
Theorie und Praxis – ein Zusammenspiel
Prof. Czupalla befasst sich derzeit mit einer Möglichkeit zur raumfahrttechnischen Umsetzung des Forschungsprojekts: „Wir arbeiten an ähnlichen Problemen wie die Ingenieurinnen und Ingenieure vom James-Webb- Teleskop. Die Forschung zu James-Webb bietet daher für uns eine wissenschaftliche und technische Grundlage.“
Einer der vielen Herausforderungen für Prof. Czupalla liegt darin, den supraleitenden Magneten im Inneren von AMS-100 auf unter -220° C zu kühlen. Auch die Temperatur der Teilchendetektoren im inneren des Magneten ist entscheidend für eine erfolgreiche Forschungsmission. Diese muss konstant – 100° C betragen, um nicht zu viel Wärme an den supraleitenden Magneten abzugeben.
„Aus diesem Grund müssen wir, ähnlich wie bei James-Webb, einen Sonnenschild vor den Detektor von AMS-100 bauen. Außerdem benötigen wir einen großen entfaltbaren Radiator, der dafür sorgt, dass die überflüssige Wärme des Instruments in den Weltraum abgegeben wird. Denn anders als man vielleicht denken mag, ist es nicht so einfach, ein Gerät im All kontinuierlich so kalt zu halten“, erklärt Prof. Czupalla.
Theoretische Vorarbeit für langfristigen Erfolg
Bisher arbeiten Prof. Czupalla und Prof. Dachwald nur mit ihren Studierenden an dem Forschungsprojekt AMS-100: „Alle derzeit notwenigen Berechnungen und theoretischen Vorarbeiten finden in Zusammenarbeit mit Studierenden statt, um die prinzipielle technologische Machbarkeit zu demonstrieren und dann unser Projekt den Raumfahrtbehörden vorstellen zu können. Wenn wir eine Projektförderung erhalten, können wir ein Forschungsteam aufbauen“, so Prof. Czupalla. Die FH-Forscher sind dabei optimistisch, denn die Berechnungen zeigen, dass die Umsetzung des Weltraumteleskops AMS-100 wohl möglich ist, auch wenn viele einzigartige Lösungsansätze erforderlich sein werden. „Aber es ist genau diese Art von Herausforderungen, die mich an der Raumfahrt begeistern“, sagt Prof. Czupalla.
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