AMS: Spitzentechnologie aus Aachen im All

Schnittzeichnung des AMS-Detektors | Quelle: DLR

Energiereiche Teilchen erzählen uns die Geschichte des Universums. Mit dem Alpha-Magnet-Spektrometer (AMS) an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) kann nun ihre ursprüngliche Zusammensetzung bestimmt werden. Damit energiereiche Teilchen „ihre“ Geschichte erzählen können und vorher nicht mit Teilchen der Erdatmosphäre zusammenstoßen, muss man sie im Weltall untersuchen.

Ein Team aus Deutschland, darunter acht Wissenschaftler aus Aachen, überwachen im Kennedy Space Center in Florida die Arbeit des AMS. „Das AMS ist ein herausragendes Projekt der Grundlagenforschung und die RWTH Aachen ist weltweit führend als einzige Exzellenzuniversität von NRW mit dabei“, betont der deutsche Projektleiter Stefan Schael. Er lehrt und forscht seit dem Jahr 2000 als Professor an der RWTH Aachen auf dem Gebiet der Experimentalphysik. Das ABC-Cluster hatte Gelegenheit mit Prof. Schael vor seinem Abflug in die USA zu sprechen.

AMS: „Ein schwieriges Unterfangen“

Das AMS ist eine Art Kamera für geladene Teilchen, erläutert Prof. Schael. Pro Sekunde werden die Detektoren des AMS 2000 Teilchen "sehen", die durch das AMS an der Außenseite der ISS fliegen. Prof. Schael: "Wir erstellen uns mit dem AMS im Prinzip eine Fotografie von diesem Teilchendurchgang."

Das AMS ist allerdings tonnenschwer und mit sensiblen Mess-Einrichtungen versehen, was den Betrieb im Weltraum erschwert. "Die große Herausforderung war es, ein Präzisionsinstrument in den Weltraum zu bringen, das auch den Start mit dem Shuttle übersteht", erklärt Schael. Auch der Betrieb stelle enorme Anforderungen an das Bodenpersonal. Prof. Schael: „Wir werden das AMS gut zwei Stunden nach dem Start einschalten. Voll in Betrieb genommen wird es erst an Bord der ISS. Es wird dann im 3-Schicht-Betrieb rund um die Uhr beaufsichtigt.“ Ständig müssen Justierungen vorgenommen werden. Man könne sich das ungefähr so vorstellen, als versuche man in einem Wohnmobil während der Fahrt TV-Progamme über eine terrestrische Antenne einzufangen.

Wissenschaftliche Ziele der Mission

Die Mission soll Erkenntnisse über die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung und den Aufbau unserer Galaxis  liefern. Vor allem soll sie die großen Rätsel der Astrophysik lösen helfen: Gibt es die „Dunkle Materie“ und die „Antimaterie“? Von dem, was unser Universum ausmache, könnten wir derzeit  mit unserer Physik nur wenig erklären, betont Professor Schael. 'Dunkle Materie' oder 'Antimaterie' sind wissenschaftliche Hypothesen. Im Weltall nachgewiesen wurden mögliche Beweise wie neuartige Elementarteilchen oder Anti-Kerne bisher nicht. Die Analyse der Daten beginne sofort und könne einige Überraschungen bereithalten: „Wir werden nach wenigen Wochen Ergebnisse liefern können. Ob diese allerdings so ausfallen, wie wir vermuten, werden wir sehen.“

Die Instrumente

Das AMS ist mit einem großen Magneten ausgerüstet, der geladene Teilchen beim Durchflug auf Kreisbahnen zwingt. Im Inneren des Magneten befinden sich Halbleiterdetektoren, die Spuren von geladenen Teilchen mit höchster Präzision vermessen. Aus der Krümmung der Spuren lassen sich die elektrische Ladung und die Energie der Teilchen bestimmen. Weitere Detektorkomponenten oberhalb und unterhalb des Magneten bestimmen die Masse der Teilchen. Anhand dieser Eigenschaften ist es möglich, die Teilchen zu identifizieren.

Spitzentechnologie aus Aachen

Seit 2000 sind die Aachener Forscher um Univ.-Prof. Dr. Stefan Schael vom Lehrstuhl für Experimentalphysik I b für einige der wichtigsten Messgeräte von AMS verantwortlich. Zu den wichtigsten Teilen des AMS gehören:

  • der in Aachen gebaute und entwickelte Übergangsstrahlendetektor (Transition Radiation Detector, TRD). Er funktioniert wie ein Geigerzähler. Er unterscheidet schwere und leichte Teilchen, die in das Messgerät gelangen.
  • der Silizium-Spurdetektor im Inneren des Magneten. Dieser bestimmt, ob Teilchen positiv oder negativ geladen sind.  Für ihn wurde in Aachen die Tragestruktur aus Kohlefaser-Verbundwerkstoffen gefertigt. Die Aachener entwickelten zudem ein neuartiges Laser-System zur Überwachung der mechanischen Stabilität des Spurdetektors.
  • der Antikoinzidenzzähler(ACC). Mit diesem dritten wichtige Baustein, für den die Aachener Experimentalphysiker zuständig sind, werden mögliche querfliegende Teilchen, die die Messung der senkrecht fliegenden Teilchen im Spurdetektor stören oder beeinflussen könnten, nachgewiesen.

AMS - ein Experiment mit Geschichte

Das erste AMS-Experiment, an dem die RWTH Aachen bereits beteiligt war, wurde 1998 in der russischen Raumstation MIR durchgeführt. Seinerzeit wurden rund eine Million Heliumkerne gemessen. Die neue Version AMS-2 soll nun eine Milliarde  Kerne registrieren. Aufgrund der Laufzeitverlängerung der ISS bis mindestens 2020 musste das milliardenteure Spektrometer kurzfristig im vergangenen Jahr überarbeitet werden. Dabei wurde der supraleitende Magnet des Spektrometers gegen einen normalen Magneten ausgetauscht, um einen Betrieb des AMS für bis zu 18 Jahre zu ermöglichen. Auch daran waren die Wissenschaftler aus Aachen maßgeblich beteiligt.

Missionsdaten und technische Parameter

Start: 29. April 2011 vom Kennedy Space Center, Cape Canaveral, Florida, USA 

Trägerrakete: Space Shuttle Mission STS-134

Orbit: auf Raumstation ISS, d.h. Bahnhöhe ca. 350 km, Inklination 51,6°

Bodenempfangsstation: White Sands Ground Center (WSGC), New Mexico, USA

Datenrate: 22 GByte/Tag (Anmerkung: Die wissenschaftlichen Daten werden sowohl auf der ISS zwischengespeichert und dann bei Service-Flügen zur Erde gebracht als auch direkt zum Boden übertragen.)

Bodenkontrollstation: Payload Operations and Control Center (POCC) am CERN, Schweiz

Telemetrie und Telecommand: über "Low Rate Data Link" (LRDL) TM: bis zu 20 kBit/s, TC: 1 kBit/s

Wissenschaftliches Betriebszentrum: Science Operations Center (SOC) am CERN, Schweiz

Missionsdauer: kann bis zum Ende der Nutzung der ISS betrieben werden

Masse des Experiments: 6.918 kg

Abmessungen: 4 m x 4 m x 4 m (H x B x T)

Energiebedarf: 2 kW

Quellen:

http://www.dlr.de/rd/desktopdefault.aspx/tabid-2448/3635_read-5500/

http://www.dlr.de/DesktopDefault.aspx/tabid-1/117_read-30351/

Das "Great" Projekt erklärt uns die Sterne

Forschungsflugzeug SOFIA | Foto: DLR

Wie entstehen Sterne? Spitzentechnologie aus NRW ermöglicht Astronomen diese Frage zu beantworten. Mit dem deutschen Empfänger GREAT (German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) wurden spektroskopische Beobachtungen in Richtung des Omeganebels M17, einer Region mit verstärkter Sternentstehung in unserer Milchstraße, sowie der nur wenige Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie IC342 durchgeführt.

Wie geforscht wird

Als SOFIA, eine umgebaute Boeing747 SP mit GREAT an Bord, am 6. April 2011 wieder zu ihrem Heimatflughafen in Kalifornien zurückkehrte, hatte das GREAT-Team seinen ersten Forschungsflug erfolgreich abgeschlossen. Die gesammelten Daten geben Aufschluss über die chemischen und physikalischen Bedingungen des  Entstehungsprozesses von Sternen.

Dr. Rolf Güsten vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, Projektleiter von GREAT, erklärt: "Diese allerersten Spektren mit GREAT sind die Belohnung für etliche Jahre harter Arbeit zur Entwicklung des auf neuesten Technologien basierenden Spektrometers. Sie zeigen das herausragende wissenschaftliche Potenzial der luftgestützten Ferninfrarot-Spektroskopie. Die große Sammelfläche des Teleskops mit 2,7 Metern Durchmesser, gepaart mit enormem Fortschritt der Terahertz-Technologien während der letzten Jahre, lässt GREAT 100-fach schneller Daten erfassen als in früheren Experimenten. Dies eröffnet den Weg für einzigartige wissenschaftliche Experimente. "

Nach diesen ersten Beobachtungsflügen mit GREAT wird SOFIA für die Nutzung von Forschern auch außerhalb des Projektes geöffnet. Astronomen aller deutscher Institute konnten sich für wissenschaftliche Beobachtungen mit SOFIA im Sommer 2011 bewerben.

GREAT ist durch ein Konsortium deutscher Forschungsinstitute entwickelt und gebaut worden. Bei GREAT kommen Grenztechnologien zum Einsatz, bei deren Entwicklung die beteiligten Institute weltweit federführend sind.

Weiterführende Hinweise finden Sie unter:

 

http://www.dlr.de/DesktopDefault.aspx/tabid-1/9600_read-30074/

http://www.mpifr-bonn.mpg.de/public/pr/sofia2008/pr-sofia2008-dt.html

Von GREAT und SOFIA, Molekülwolken und Galaxien

Über GREAT

Der "German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies" (GREAT) ist ein Spektrometer für Beobachtungen im Ferninfrarot-Bereich des elektromagnetischen Spektrums bei Frequenzen von 1,2 bis 5 Terahertz (60 bis 220 Mikrometer Wellenlänge), die aufgrund der Wasserdampfabsorption in der Atmosphäre vom Erdboden aus nicht zugänglich sind. GREAT wurde entwickelt vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) und der Universität zu Köln, in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung und dem DLR-Institut für Planetenforschung. Rolf Güsten (MPIfR) ist Projektleiter für GREAT. Die Entwicklung des Instruments wurde finanziert durch die beteiligten Institute, die Max-Planck-Gesellschaft, die Deutsche Forschungsgemeinschaft und das DLR.

Über SOFIA

SOFIA, das Stratosphären Observatorium für Infrarot Astronomie, ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird auf Veranlassung des DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages und mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Der wissenschaftliche Betrieb wird auf deutscher Seite vom Deutschen SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert, auf amerikanischer Seite von der Universities Space Research Association (USRA). Die Entwicklung der deutschen Instrumente ist finanziert mit Mitteln der beteiligten Institute, der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR.

Molekülwolke M17SW

M17SW ist eine interstellare Molekülwolke, die etwa 10.000 Sonnenmassen an Gas enthält und von einem jungen Sternhaufen mit mehr als einer Million Sonnenleuchtkräften beschienen wird. Die ultraviolette Strahlung des Haufens ionisiert und heizt das Gas und könnte es soweit komprimieren, dass sich aus dem Gas weitere Sterne bilden. Die SOFIA-Beobachtungen erlauben, diesen Kompressionseffekt zu vermessen und mit der Aufheizung des Gases, die zu einer Expansion führt, zu vergleichen. Auf diese Weise können Astronomen den Sternentstehungsprozess untersuchen.

Spiralgalaxie IC342

IC342 ist die nächstgelegene gasreiche Spiralgalaxie mit aktiver Sternentstehung im Kernbereich. Innerhalb des zentralen Bereichs münden zwei Spiralarme mit molekularem Gas in einem klumpigen Zentralring aus dichtem Gas, der wiederum einen jungen Sternhaufen umschließt. Dessen massereiche junge Sterne heizen Gas und Staub in der Umgebung auf und erzeugen eine Vielzahl chemischer Verbindungen und intensive Strahlung aus einem Bereich, der mit dem Fachbegriff "Photon Dominated Region" (PDR) bezeichnet wird. Die intensive Strahlung aus diesen PDR-Regionen ermöglicht die detaillierte Untersuchung der chemischen und physikalischen Bedingungen in den Sternentstehungsgebieten in anderen Galaxien.