Sieben Weltraumforschungsabende mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt lagen hinter uns. Sieben Jahre lang hatten wir die wagemutigen Manöver von Raumsonden und Landern verfolgt, gespannt den Berichten von der Internationalen Raumstation gelauscht und die gewaltigen Kräfte des Weltalls in Form von Schwarzen Löchern und Dunkler Energie bestaunt. Und nun sollte uns Corona für 2020 einen Strich durch die Rechnung machen?

Auf gar keinen Fall!

Da die Stadtbibliothek im Laufe des ersten Pandemiesommers bereits ausgiebige Erfahrungen mit der Webinar-Plattform edudip gesammelt hatte und sich unsere DLR-Vortragenden auf die neue Plattform einließen, hießen wir euch im Dezember 2020 zur ersten digitalen Ausgabe von „Lichtjahre voraus“ willkommen. An über 200 Monitoren sah man uns zu – teils allein, teils zu zweit oder mit Familie und Freunden. Stammgäste freuten sich, uns nicht missen zu müssen. Weggezogene konnten uns das erste Mal wieder live erleben. Und auch wenn ein Großteil des Publikums aus Nordrhein-Westfalen kam, so konnten wir auch Zuschauer*innen aus anderen Bundesländern und sogar aus dem Ausland begrüßen.

Strahlenschutz und das MARE-Experiment

Unser erster digitaler Gast war Dr. Thomas Berger. Der Strahlenphysiker leitet hier in Köln die Arbeitsgruppe Biophysik in der Strahlenbiologie-Abteilung des DLR-Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin. Seine Forschungsgebiete sind Dosimetrie und Strahlenschutz.

Für Langzeitmissionen außerhalb des schützenden Magnetfelds der Erde, spielt Strahlenschutz eine tragende Rolle. Es gilt, die Raumfahrenden vor möglichen Strahlenschäden wie Katarakten, Krebs oder dem akuten Strahlensyndrom zu bewahren. Denn außerhalb des Magnetfelds sind sie der kosmischen Strahlung ausgesetzt. Diese wird unterteilt in die „solare kosmische Strahlung“ unserer Sonne und die „galaktische kosmische Strahlung“, deren Ursprung außerhalb unseres Sonnensystems liegt. Die größte Gefahr der solaren kosmischen Strahlung rührt von Explosionen auf der Sonne, die immense Teilchenmengen ins All schleudern und ungeschützte Raumfahrende einer relativ kurzen aber hohen Strahlendosis aussetzen. Die galaktische kosmische Strahlung entsteht dagegen bei weit entfernten Teilchenereignissen wie z.B. Supernova-Explosionen und macht sich als Grundstrahlung bemerkbar, deren Dosis zwar geringer ist, aber vor allem bei Langzeitmissionen ins Gewicht fällt. Und obwohl das Erdmagnetfeld uns vor diesen Strahlungsarten schützt, birgt gerade diese Schutzfunktion noch eine weitere Gefahr für Weltraumreisende. Die vom Magnetfeld abgelenkten und eingefangenen geladenen Teilchen sammeln sich nämlich rund um unseren Planeten in den sogenannten Van-Allen-Gürteln: Zonen intensiver Strahlung. Auf dem Weg zum Mond oder Mars müssen diese Zonen durchflogen werden. Selbst die Internationale Raumstation ist nicht gänzlich vor ihnen geschützt. Obwohl sich ihre Umlaufbahn unterhalb der Van-Allen-Gürtel befindet, gibt es über dem Südatlantik einen Bereich, in dem das Magnetfeld der Erde schwächer ausgeprägt ist und der Van-Allen-Gürtel tiefer reicht. Allein der Durchflug durch diese Zone macht für die Astronaut*innen der ISS die Hälfte ihrer täglichen Strahlendosis aus und trägt maßgeblich dazu bei, dass die Strahlenbelastung auf der Internationalen Raumstation 250 bis 300 Mal so hoch ist wie bei uns in Köln.

Aktuell laufen die Planungen für astronautische Missionen zum Mond, einem Himmelskörper der nicht von einem Magnetfeld geschützt wird. Mit welcher Strahlenbelastung müssen Raumfahrende auf dem Mond rechnen? Während der amerikanischen Mondlandungen der 60er- und 70er Jahre erfolgten noch keine zeitaufgelösten Strahlungs-messungen, so dass für die Strahlenbelastung auf der Mondoberfläche bis vor kurzem keine konkreten Werte vorlagen. Dies änderte sich mit der chinesischen Chang’e-4-Mission, die 2019 einen Lander und einen Rover auf der erdabgewandten Seite des Mondes absetzte. Dank des deutschen LND-Experiments an Bord des Landers konnte ermittelt werden, dass die Strahlenbelastung auf der Mondoberfläche 57 Mikrosievert pro Stunde beträgt und somit fast doppelt so hoch ist wie auf der Internationalen Raumstation.

Der nächste Schritt sind Messungen mit Dummy-Puppen, im medizinischen Kontext „Phantome“ genannt, deren Material die Dichteverhältnisse des menschlichen Körpers nachbildet. Durch die Messgeräte im Inneren solcher Torsos lassen sich differenzierte Aussagen über die Strahlenbelastung der einzelnen Organe treffen. Solche Phantome des DLR wurden 2004 zum ersten Mal auf der Internationalen Raumstation eingesetzt und werden bald auch im Orbit des Mondes wertvolle Daten sammeln. Artemis, das neue Mond-Programm der NASA, umfasst mehrere Missionen, die die eigentliche Mondlandung vorbereiten. Eventuell noch dieses Jahr wird das neue Orion-Raumschiff im Rahmen von Artemis 1 seinen ersten Flug zum Mond antreten. Eine Besatzung wird nicht an Bord sein. Dafür aber „Commander Moonikin Campos“ und zwei Phantome des DLR. Letztere sind der Hauptbestandteil des Matroshka-AstroRad-Radiation-Experiments, kurz MARE, welches die Strahlenbelastung während der Mission misst. Zum ersten Mal handelt es sich dabei um Phantome mit weiblicher Anatomie, um dem höheren Krebsrisiko der Astronautinnen Rechnung zu tragen. Während eines der MARE-Phantome die Strahlung ungeschützt misst, trägt das zweite Phantom die in Israel entwickelte Astrorad-Strahlenschutzweste.

Für weitere Informationen zum MARE-Experiment und einen viel tieferen Einblick in die hier nur kurz geschildeten Vortragsthemen, verweise ich auf den Vortrag von Dr. Berger vom 9. Dezember 2020.

Weiterführende Links:

• Strahlenrisiko auf Langzeitraumflügen (2018)
• MATROSHKA-III Strahlungsrisiko-Bewertung in der Raumfahrt (2019)
• Wie stark und ge­fähr­lich ist kos­mi­sche Strah­lung auf dem Mond? (2020)
• First measurements of the radiation dose on the lunar surface (2020)
• MARE – Das MATROSHKA AstroRad Radiation Experiment (Projektseite)
• M-42 misst die Strah­lung auf dem Mond (2021)

Der Asteroiden-Lander MASCOT der Hayabusa-2-Mission

Als zweites betrat ein alter Bekannter unsere virtuelle Bühne: Physiker Christian Krause vom DLR-Nutzerzentrum für Weltraumexperimente war bereits 2017 und 2019 Vortragender bei „Lichtjahre voraus“. Als er uns 2017 eine Vorschau auf den Asteroiden-Lander der japanischen Hayabusa-2-Mission gab, hatte die Raumsonde bereits drei Reisejahre hinter sich und näherte sich langsam aber sicher ihrem Bestimmungsort: „162173 Ryugu„. Der Asteroid bewegt sich auf seiner Sonnenumlaufbahn größtenteils zwischen den Umlaufbahnen von Erde und Mars, kreuzt dabei aber die Umlaufbahn der Erde. Als kohlenstoffreicher Typ-C-Asteroid ist er ein Vertreter der häufigsten Asteroidensorte und für die Forschung hochinteressant. Von den kohlenstoffhaltigen Asteroiden erhofft man sich wertvolle Hinweise auf die Entstehungsgeschichte unseres Sonnensystems und des Lebens auf der Erde. Ebenso stärken alle gewonnenen Erkenntnisse die planetare Verteidigung, sollte sich ein solcher Asteroid einmal auf Kollisionskurs mit der Erde befinden.

Als die Raumsonde Hayabusa-2 Mitte 2018 ihr Ziel erreichte, lag viel Arbeit vor der japanischen Raumfahrtagentur JAXA und den internationalen Institutionen, die Experimente und Technik beigesteuert hatten. Es sollten Messungen vorgenommen, Landeeinheiten abgesetzt, eine Sprengung durchgeführt und Proben für die Rückkehr zur Erde gesammelt werden.

Eine der Landeeinheiten war der deutsch-französische Mobile Asteroid Surface Scout, kurz MASCOT. Er ist 10 kg schwer und so groß wie ein quadratischer Schuhkarton. In seinem Inneren befindet sich ein Schwungarm, der es dem Lander in geringer Schwerkraft ermöglicht, seine Lage zu korrigieren oder sich mit mehreren Überschlägen zu einer neuen Position zu bewegen. Nachdem ein vielversprechender Landeplatz gefunden worden war, klinkte sich MASCOT am 3. Oktober 2018 aus der Muttersonde aus und landete sicher auf dem Asteroiden. Siebzehn arbeitsame Stunden konnte das DLR-Team aus MASCOTs Batterie herauskitzeln bis diese aufgebraucht war und der Funkkontakt abbrach. Damit endete MASCOTs Mission. Die Muttersonde Hayabusa-2 kehrte 2020 mit Gesteinsproben des Asteroiden zur Erde zurück und warf den Probencontainer wenige Tage vor unserer Veranstaltung über dem australischen Outback ab.

Während diese Proben noch untersucht werden, stehen die ersten Ergebnisse von MASCOTs Beobachtungen und Messungen bereits fest:

Aufgrund von Fernerkundungsdaten war man davon ausgegangen, dass Ryugus Oberfläche ähnlich wie Mond und Mars von einer Schicht aus lockeren, körnigen Materialien (Regolith) bedeckt sein würde. Doch die Kameras von Hayabusa-2 und MASCOT zeigten auf Ryugu eine von großen Steinen und Felsbrocken geprägte Landschaft ohne feinkörniges Material. MASCOTs Kamera (MASCam) und sein Radiometer (MARA) untersuchten eine nahe Gesteinsformation genauer. Das Gestein war dunkel und besaß eine Vielzahl gleichmäßig verteilter, vielfarbiger Einschlüsse. Auf Temperaturwechsel reagierte es zügig, das heißt es erwärmte sich schnell, wenn es der Sonne zugewandt war und kühlte nachts auch schnell wieder ab. Gemessen wurden Oberflächentemperaturen zwischen 200 Kelvin (-73 Grad Celsius) und 300 Kelvin (27 Grad Celsius). Die geringe thermische Trägheit spricht für eine hohe Porosität und einen schwachen inneren Zusammenhalt. Die Messungen der Muttersonde bestätigten, dass die Mehrzahl der Felsen auf Ryugu hochporös ist.

Aufgrund der MASCam-Aufnahmen verglich man das Aussehen des Gesteins mit Meteoriten, die auf unserem Planeten gefunden wurden. Eine Studie des DLR in Zusammenarbeit mit zwei japanischen Universitäten nahm sich die Gruppe der „kohligen Chondriten“ vor, also Meteoriten mit eingeschlossenen Gesteinskügelchen und einem hohen Anteil von Kohlenstoff. Die größten Gemeinsamkeiten fanden sich bei den seltenen ATCCs (“aqueously altered and thermally metamorphosed carbonaceous chondrites”, also kohlige Chondriten, die unter dem Einfluss von Wasser und großer Hitze Veränderungsprozesse durchlaufen haben) und zum anderen bei einem Meteoriten vom kanadischen Tagish Lake, der für einen kohligen Chondriten eine ungewöhnlich niedrige Dichte und viele Einschlüsse aufweist. Wenn aber Typ-C-Asteroiden die häufigste Art der Asteroiden in unserem Sonnensystem sind, warum sind die passenden Meteoriten auf der Erde dann so selten zu finden? Mit Blick auf Ryugu scheinen die geringe Dichte und hohe Porosität des Asteroiden die Antwort zu liefern. Ein Asteroid wie Ryugu würde den Eintritt in die Erdatmosphäre vermutlich nicht überstehen, sondern verglühen. Das wäre doch mal eine gute Nachricht für die Menschheit.

Eine weitere Erkenntnis: MasMag, das Magnetometer an Bord von MASCOT, konnte ermitteln, dass der Asteroid kein „globales“ Magnetfeld aufweist und auch die großen Gesteinsbrocken, aus denen er besteht, nicht magnetisiert sind. Laut einer Studie unterstützen die Messdaten die Hypothese, dass Ryugu noch nie über einen Mechanismus zur Erzeugung eines Magnetfelds verfügt hat und auch seine Einzelteile nicht aus einem Körper oder einer Umgebung stammen, die durch ein starkes Magnetfeld geprägt waren. Mit anderen Worten fanden sich bei MASCOTs Untersuchungen keine Indizien dafür, dass Magnetismus bei der Entstehung unseres Sonnensystems eine herausragende Rolle gespielt hat.

Für weitere Informationen zu MASCOT, der Hayabusa-2-Mission und den Forschungsergebnissen verweise ich auf den Vortrag von Herrn Krause vom 9. Dezember 2020.

Weiterführende Links:

• Asteroid Ryugu before the Hayabusa2 encounter (2018, Wissensstand bevor Hayabusa-2 den Asteroiden erreicht hatte)
• Die Beute des Wanderfalken – Die Erforschung des Asteroiden Ryugu (2019)
• Low thermal conductivity boulder with high porosity identified on C-type asteroid (162173) Ryugu (2019)
• Magnetic Properties of Asteroid (162173) Ryugu (2020)
• Spectrophotometric Analysis of the Ryugu Rock Seen by MASCOT: Searching for a Carbonaceous Chondrite Analog (2021)
• Asteroid explorer, Hayabusa2, reporter briefing (2020, Informationen zur erweiterten Hayabusa-2-Mission)

Während der gesamten Veranstaltung konnten sich unsere Zuschauer*innen im Chat beteiligen und nutzten dies rege. Es entspann sich ein fröhliches Hin und Her aus Fragen, Antworten, Kommentaren und Running Gags. Die komplizierteren Fragen beantworteten Herr Berger und Herr Krause in den Fragerunden nach den Vorträgen.

Und noch eine Funktion hatte der Chat: Bei insgesamt sechs Quizfragen qualmten die Köpfe und vor allem die Tastaturen. Unsere Preise waren begehrt: Neben einem Gutschein für oreilly.de und dpunkt.de (lieben Dank dafür an den dpunkt-Verlag) spendierten wir Gutscheine für spacige Online-Shops von DLR, ESA und Co. und für das Kerbal Space Program.

Wieder einmal verneigen wir uns vor unseren Vortragenden und senden ein herzliches Dankeschön an das DLR. Ein Wiedersehen mit unserem Lieblingsforschungszentrum gibt es glücklicherweise schon im Sommer, allerdings mit dem Thema Luftfahrt. Denn „Green Hightech – Forschen für die Energie- und Mobilitätswende“ widmet sich am 1. September dem umweltschonenden Luftverkehr. Die Ankündigung hier im Blog folgt demnächst.

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(ba)