Es geht voran


Urknall-Experiment in Genf

Forscher entfachen Höllenglut im Labor
Der Urknall im Labor hat nur wenig mehr Energie als zwei kollidierende Mücken. Doch zusammengepfercht auf ein Billionstel Mückengröße entfacht sich eine Höllenglut, die Forscher so dicht an die Geburt des Kosmos heranführen soll wie nie zuvor. Dafür entsteht bei Genf das größte Experiment, das Menschen je gebaut haben. In der 27 Kilometer langen, unterirdischen Teilchenkanone "Large Hadron Collider" (LHC) werden Wasserstoff-Atomkerne mit bislang unerreichter Wucht ineinander krachen. Hausgroße Nachweisgeräte sind nötig, um die Kollisionssplitter aufzuzeichnen. Wenn die Urknallmaschine des europäischen Teilchenforschungszentrums CERN im Herbst 2007 angeschaltet wird, erwarten die Wissenschaftler nicht nur zahlreiche Antworten auf fundamentale Fragen der Physik, sie hoffenauch auf ein tieferes Verständnis des Universums.
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Der unterirdische Beschleunigerring LHC
27 Kilometer lang.
Im Hintergrund die Stadt Genf

Urknall - Sterne - Planeten - Bäume - Menschen

So ist bis heute rätselhaft, warum nach dem Urknall überhaupt Materie übrig geblieben ist, aus der im Laufe der Äonen Sterne, Planeten, Bäume und schließlich auch Menschen entstehen konnten. Denn bei der Geburt des Kosmos müssen zunächst Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen erzeugt worden sein und hätten sich anschließend gegenseitig wieder komplett vernichten sollen.

"Warum sind wir überhaupt da?"

"Die Frage ist also letztlich: Warum sind wir überhaupt da? Das ist völlig mysteriös", sagt der Münchner Physikprofessor Siegfried Bethke, der am ATLAS-Detektor für den LHC beteiligt ist. "Eigentlich dürfte es uns gar nicht geben. Das ist doch Grund genug, mal nachzuforschen."

Experiment bei minus 271 Grad Celsius

Der Aufwand dafür ist immens: Im Betrieb hat der LHC mit 120 Megawatt denselben Strombedarf wie die nahe 160.000-Einwohner-Stadt Genf. Ein Magnetfeld, 100.000fach stärker als das irdische, zwingt die nahezu lichtschnellen Wasserstoff-Kerne (Protonen) auf ihre Bahn. Die gesamte ringförmige Anlage, bis zu 150 Meter tief unter der Erde, muss dafür auf rund minus 271 Grad Celsius gekühlt werden. "Das ist etwas kälter als im Weltall", sagt CERN-Generalsekretär Maximilian Metzger. Erst bei diesen tiefen Temperaturen können die 1800 Spezialmagnete die nötige Feldstärke erzeugen. Als Kühlmittel dienen knapp hundert Tonnen des Edelgases Helium - das Kilo zu 40 Euro. Allein das Abkühlen dauert zwei bis drei Wochen.

So viel Energie wie ein 800-Tonnen-Güterzug bei Tempo 100

Bis zu 300 Billionen Wasserstoff-Kerne (Protonen) werden im LHC kreisen. Der Protonenstrahl muss genau kontrolliert werden. Denn obwohl die schnellen Atomkerne im LHC gemeinsam nicht einmal ein milliardstel Gramm auf die Waage bringen, haben sie zusammen etwa so viel Energie wie ein 800-Tonnen-Güterzug bei Tempo 100. "Wenn man den Strahl verliert, zerstört das die Maschine", erläutert Verena Kain vom CERN-Kontrollzentrum, das den Beschleuniger steuern wird. Insgesamt betreuen mehrere tausend Wissenschaftler das Experiment. Fast vier Milliarden Euro kostet die gesamte Anlage, allein drei Milliarden davon der Beschleunigerring selbst.

600 Millionen Kollisionen pro Sekunde

Die Urknallmaschine produziert jede Sekunde 600 Millionen Teilchenkollisionen. Vier gigantische unterirdische Nachweisgeräte, ALICE, ATLAS, CMS und LHCb, zeichnen die Spuren der Kollisionssplitter auf, in denen die Physiker nach neuen Phänomenen von Materie, Energie, Raum
und Zeit fahnden werden. ATLAS, mit 46 Metern Länge und 25 Metern Höhe so groß wie ein fünfstöckiges Haus, ist der größte Teilchendetektor der Welt.

Datenflut von einer CD-ROM pro Sekunde

Die Messungen der Partikelkollisionen lassen sich allerdings bei weitem nicht alle speichern. Die Datenflut wird daher noch im Detektor vorgefiltert. "Wir suchen nach nur einer guten Aufnahme in zehn Billionen Schnappschüssen", erläutert Bernd Panzer vom CERN- Rechenzentrum. Etwa eine CD-ROM pro Sekunde wird gespeichert, das summiert sich zu rund 15 Petabyte im Jahr - in etwa vergleichbar mit der gesamten Information im World Wide Web.


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Fast mit Lichtgeschwindigkeit prallen im Beschleuniger Protonen aufeinander und rasen in alle Richtungen auseinander
(Simulation: Cern)

Jeder kann "mitmachen"

Damit kann das CERN nicht alleine klarkommen: Die Forscher haben deshalb das GRID ins Leben gerufen, einen weltweiten Verbund von Rechnern, der die benötigte Computerleistung bereitstellen soll. Um darüber hinaus Leerlaufkapazitäten privater PCs zu nutzen, haben die Physiker das Projekt LHC@home gestartet. Ein teilnehmender PC besorgt sich dabei übers Internet einen Datensatz, rechnet daran, wann immer er unbeschäftigt ist, und schickt das Ergebnis anschließend zurück. Auf diese Weise kann jeder internetfähige PC ein wenig an der Entdeckungsreise zum Urknall teilnehmen.

Hubble fotografiert explodierenden Stern

Dem Hubble-Weltraumteleskop ist eine faszinierende Aufnahme gelungen: Es hat die jüngste bekannte Sternenexplosion in der Milchstraße detailreich fotografiert. Das Bild zeigt die zerfledderten Reste der Supernova-Explosion Cassiopeia A. Sie war vor 340 Jahren am irdischen Firmament zu beobachten. Das europäische Hubble-Zentrum in Garching bei München veröffentlichte die Aufnahme am Dienstag.

Mit 50 Millionen Kilometern pro Stunde durchs All

Zu erkennen sind die Explosionstrümmer, die mit bis zu 50 Millionen Kilometern pro Stunde ins All schießen: Sauerstoff leuchtet auf dem Hubble-Bild grün, Schwefel rot und violett, Wasserstoff sowie Stickstoff blau.

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Die Reste der Supernova-Explosion Cassiopeia A
(Foto: Esa & Nasa)


Schwere Elemente nur dank Explosionen

Supernova-Explosionen, mit denen massereiche Sterne spektakulär ihre Existenz beenden, sind die Hauptquelle für alle chemischen Elemente im Universum, die schwerer sind als Sauerstoff. Erst diese gewaltigen Ereignisse haben genug Energie, um schwere Elemente zu schmieden.

Wissenschaftler begeistert vom Bild

Auch Eisen, Kalzium und Chrom in unserem Sonnensystem stammen aus vergangenen Supernova-Explosionen - die Erde und ihre Bewohner bestehen gewissermaßen aus Sternenstaub. Die Beobachtung solcher nahen, relativ jungen Supernova-Explosionen wie Cassiopeia A sei extrem hilfreich zum Verständnis der Entwicklung des Universums, sagten die Garchinger Experten.

Weltraumteleskop Hubble Kollision zweier Galaxien fotografiert

Das Weltraumteleskop Hubble hat die bislang schärfste Aufnahme von zwei kollidierenden Galaxien gemacht. Das vom europäischen Hubble-Zentrum in Garching bei München veröffentlichte Foto zeigt, wie bei der Verschmelzung der so genannten Antennen-Galaxien im Sternbild Rabe Milliarden neue Sterne entstehen.

Foto-Serie: Die schönsten "Hubble Teleskop" Bilder
Foto-Serie: "Hubble Teleskop" fotografiert den Orion-Nebel


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Hubble-Foto einer Galaxienkollision (Foto: dpa)

Blick in Zukunft der Milchstraße

Der scheinbar brutale Zusammenprall gleiche eher einer fruchtbaren Eheschließung, schreiben die Hubble-Astronomen. Die Beobachtung erlaube auch eine Vorschau darauf, was unserer eigenen Milchstraße bevorsteht, wenn sie in geschätzten sechs Milliarden Jahren mit der benachbarten Andromeda-Galaxie kollidieren wird.

Foto-Serie: Faszination Galaxien
Foto-Serie: Unsere Milchstraße

Blau strahlende Sternhaufen

Die beiden 62 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernten Spiralgalaxien im Sternbild Rabe haben vor rund einer halben Milliarde Jahren begonnen zu verschmelzen. Dadurch wird sehr viel Gas in beiden Galaxien verwirbelt, es verdichtet sich zu neuen Sternen und Sternhaufen, die blau strahlen.

Neue Erkenntnisse gewonnen

Die Aufnahme erlaube Astronomen, genauer als bisher zwischen Sternen und Supersternhaufen zu unterscheiden, teilte das Hubble-Zentrum mit. So zeige das Foto, dass nur rund zehn Prozent der Supersternhaufen zehn Millionen Jahre alt werden - eine in kosmischen Maßstäben sehr kurze Zeit. Die große Mehrheit der Supersternhaufen löse sich auf, und die Sterne verteilten sich in der Galaxie.

Neue Raketen antrib

Neue energie
Für John Cole, Manager des Revolutionary Propulsion Research Project Office ist selbst Kernspaltung noch nicht gut genug. Er möchte ein System, das es erlaubt, Raumfahrer innerhalb eines Jahres bis an die Grenzen des Sonnensystems und zurück zu schicken. Dafür reicht die auf diese Weise zu erreichende Geschwindigkeit nicht aus. Kernfusion heißt das Zauberwort, das die nötige Beschleunigung bringen soll. Bei der Verschmelzung von Atomen werden riesige Energiemengen freigesetzt. Die Sache hat nur einen Haken: Mit dem heutigen Stand der Technik hätten die Kernfusions-Antriebe riesige Ausmaße. Ein Gebilde von der Größe des Kampfsterns Galaktika wäre erforderlich.

Hoffen auf die Antimaterie

Ohnehin ist die Kernfusion nicht das Nonplusultra. Eine andere Zukunftstechnologie verweist sie im Reich der Visionen locker auf den zweiten Platz. Ein Antimaterie-Antrieb soll noch einmal doppelt so effizient sein, wie sein Kernfusions-Konkurrent. Und Forscher arbeiten emsig daran, dass er nicht für ewig ins Reich der Science Fiction verbannt bleibt. So ist es Wissenschaftlern am europäischen Kernforschungszentrum Cern erst vor kurzem gelungen, eine relativ große Menge von Anti-Wasserstoffatomen herzustellen.

Glühbirne kontra Las Vegas

"Von der Nukleartechnik hat nicht nur der Antrieb etwas", macht Colleen Hartman, Direktor für die
Erforschung des Sonnensystems bei der Nasa, andere Vorzüge der Systeme deutlich. "Auch die anderen Systeme an Bord einer Raumsonde profitieren. Die überschüssige Energie ist so als ob man statt einer einzelnen Glühbirne die Lichter von Las Vegas bekommt. Das führt zu größerer Flexibilität."

Nuklearantriebe bergen Gefahren

Sorgen über Risiken der Kernenergie scheint man sich dagegen bei der Nasa nicht zu machen. Kritiker weisen auf die Gefahren einer radioaktiven Verseuchung etwa bei einem Startunfall hin.
Dass die Raumfahrtorganisationen trotzdem an der Kernenergie festhalten liegt wohl auch daran, dass sie
im Gegensatz zu anderen weit entwickelt ist. Jedenfalls beschäftigen sich zwei der vier Antriebstechnologien, welche die Nasa kürzlich für die weitere Entwicklung ausgewählt hat, mit ihr. Solarsegel sind eine andere. Jede Menge Stoff für Raumfahrerträume also. Den bieten natürlich auch die Entwürfe einer neuen Generation von Spaceshuttles, die derzeit am Reißbrett der Nasa entstehen. Sie werden allerdings fürs Erste auch weiterhin auf einem chemischen Feuerstrahl ins All reiten.

Foto-Serie: Spaceshuttles. Die nächste Generation. Die Shuttles der Zukunft.

Nasa rüstet sich für die Zukunft

Der tragische Unfall vom 1. Februar 2003 markiert das vorläufige Ende einer ungewöhnlichen Pannenserie
in der Geschichte der NASA. Immer wieder wurden im Jahr davor Starts verschoben oder abgesagt.
Nachdem Risse in Verkleidungen von Treibstofftanks gefunden wurden, musste die Weltraumorganisation Ende 2002 sogar der ganzen Flotte Startverbot erteilen. Auch wenn die Reparaturen geringer waren als zunächst befürchtet, arbeitet die NASA mit Hochdruck an einer neuen Generation von Shuttles.

Zuverlässiger, sicherer, billiger

2002 hat die Space-Launch-Initiative eine erste Auswahl möglicher Kandidaten getroffen. Zentrale Anforderung an die Bewerber um die Shuttle-Nachfolge war dabei, dass sie "die Zuverlässigkeit und Sicherheit erhöhen und gleichzeitig die Kosten der Raumfahrt senken",
Shuttle-Nachfolger
(Foto: Northrop Grumman/Orbital Sciences)
erklärte Art Stephenson, der Direktor des Marshall Space Flight Center. 4,8 Millarden Dollar gibt die
Weltraumorganisation bis 2006 für die Entwicklung der neuen wiederverwendbaren Raumfähre aus.

Futuristische Fährenträume

Experten der Weltraumorganisation etwas über ein Dutzend für die Weiterentwicklung aus. Manche der Entwürfe erinnern mehr an Starwars und Co. als an die guten alten Apollos und Spaceshuttles.
Während einige der Raumfähren noch senkrecht starten, wie die jetzige Generation, sollen andere ihre
Reise ins All in einer langsam steigenden Bahn wie ein Flugzeug antreten.

Hochgerüstet mit Hightech

Natürlich wird die nächste Shuttle-Generation nicht nur gut aussehen, sondern auch hochgerüstet
sein mit der neuesten Technologie. Ein ausgefeiltes Navigationssystem, das auch GPS-Daten
berücksichtigt, wird dazu beitragen, dass die Raumfähren künftig praktisch auf Autopilot fliegen können. Ein neues Hitzeschild ist in Arbeit. Die neue "Rüstung" funktioniert ähnlich wie die Schutzschicht der Spaceshuttles, kann aber mit 1.648 Grad Celsius fast fünfhundert Grad höhere Temperaturen aushalten. An Schleudersitze und Sicherheitskapseln haben die Entwickler ebenfalls gedacht.


Shuttle-Nachfolger
(Foto: Boeing Company)

Bei der Nasa hat die Zukunft schon begonnen

Da in den Nasa-Kassen Ebbe herrscht, sollen Weltraumflüge in Zukunft außerdem billiger werden. Bevor sich eine Raumfähre in die Weiten des Alls aufmacht, muss sie sich zunächst aus dem Gravitationsfeld der Erde kämpfen. Ein großer Teil der Energie und damit der Kosten fällt schon in dieser Startphase an. Diese Kosten von rund einer halben Milliarde US Dollar pro Shuttle-Start will die Weltraumbehörde senken. Von neuen Antriebssystemen und einer vollständig wiederverwendbaren Startrakete, die nach der Trennung vom Shuttle eigenständig landet, statt wie bisher ins Meer zu stürzen, erhofft sich die Nasa solche Einsparungen.

Das große Finale 2006

Eine zweite Auswahlrunde, die im November 2002 beginnende Systems Requirement Review, soll
Shuttle-Nachfolger
(Foto: Boeing Company)
schließlich zwei oder drei der Kandidaten ins Finale befördern. Die Endrunde findet dann 2006 statt, wenn
die Nasa einen der Vorschläge zum Sieger küren und die endgültige Ausarbeitung in Auftrag geben will. Anfang des nächsten Jahrzehnts sollen die Entwicklungsbemühungen konkrete Früchte tragen. Nicht nur neue Raumfähren, sondern eine ganze "Raumfahrtarchitektur", einschließlich Raumtransportern, Raketenoberstufen und Bodenoperationen sollen bis dahin entstehen.

Nichts für Ungeduldige

Das die Entwicklung einer Raumfähre Zeit braucht, weiß die Nasa aus Erfahrung. Bis 1981 mit der
Columbia zum ersten Mal ein Spaceshuttle abheben konnte, war mehr als ein Jahrzehnt intensive
Forschung und Entwicklung vonnöten. Auch danach wurden die Shuttles ständig weiterentwickelt, eine Investition, von der die Nasa noch eine Weile zehren will. Jede der Fähren ist auf mindestens 100 Einsätze ausgelegt. Bisher haben alle alten Fähren zusammen genommen nur ungefähr so viele auf dem Buckel.
Bis 2012 sollen die Shuttles daher noch mindestens ins All starten. Danach aber schlägt die Stunde der zweiten Shuttle-Generation.



Ralf Lehnert, 17.10.2006
Shuttle-Nachfolger
(Foto: Lockheed Martin)