16. Juni 2021
Aufbau an der Umweltforschungsstation Schneefernerhaus

De­tek­tor misst die kos­mi­sche Strah­lung auf der Zug­spit­ze

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Raumfahrt
Messhütte an der Umweltforschungsstation Schneefernerhaus
Mess­hüt­te an der Um­welt­for­schungs­sta­ti­on Schnee­fer­ner­haus
Bild 1/3, Credit: © UFS Schneefernerhaus / Dr. Till Rehm

Messhütte an der Umweltforschungsstation Schneefernerhaus

Der Ti­me­pix3-De­tek­tor ist ge­mein­sam mit an­de­ren Ex­pe­ri­men­ten in ei­ner Mess­hüt­te un­ter­ge­bracht. Die Dach­kon­struk­ti­on ge­währ­leis­tet, dass kein Schnee über dem De­tek­tor lie­gen bleibt. Es er­fol­gen al­so kei­ne zu­sätz­li­chen Wech­sel­wir­kun­gen der kos­mi­schen Strah­lung mit Schnee.
Erste Messergebnisse
Ers­te Mes­s­er­geb­nis­se
Bild 2/3, Credit: © IEAP CTU Prag / Dr. Benedikt Bergmann, UFS Schneefernerhaus / Dr. Till Rehm

Erste Messergebnisse

Mar­kiert sind ver­schie­de­ne Teil­chen­be­stand­tei­le wie Al­pha-, Elek­tro­nen- und Myo­nen­teil­chen, so­wie hoch­ener­ge­ti­sche elek­tro­ma­gne­ti­sche Gam­ma­strah­lung. Die Mess­zeit am Schnee­fer­ner­haus be­trug hier 60 Mi­nu­ten. Rechts ist der Ti­me­pix3 De­tek­tor in der Elek­tro­nik­box zu se­hen.
Umweltforschungsstation Schneefernerhaus
Um­welt­for­schungs­sta­ti­on Schnee­fer­ner­haus
Bild 3/3, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Umweltforschungsstation Schneefernerhaus

Die Um­welt­for­schungs­sta­ti­on Schnee­fer­ner­haus (UFS) ist auf der Süd­sei­te der Zug­spit­ze. In 2650 Me­tern Hö­he be­fin­det sie sich knapp un­ter­halb des Gip­fels.
  • Timepix3 zeigt die verschiedenen Teilchen und ihre Flugbahn in Echtzeit.
  • Auch die Zerfallsprodukte von Radon, das natürlich im Erdgestein vorkommt, werden erfasst.
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Weltraumwetter, Umwelt

Entwickelt wurde das Gerät, um im europäischen Kernforschungszentrum CERN Elementarteilchen aufzuspüren. Dann landete es auf der Internationalen Raumstation ISS. Hier hilft es den Astronautinnen und Astronauten, die Strahlenbelastung zu erkennen. Seit neustem ist der Timepix3 auch auf der Zugspitze im Einsatz. Seine Aufgabe: Der Detektor misst die Sekundärteilchen der kosmischen Strahlung. Gleichzeitig erfasst er die Zerfallsprodukte von Radon. Das radioaktive Edelgas kommt natürlich in Gesteinen vor und gelangt auch an die Oberfläche. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat den Timepix3 in Kooperation mit den Universitäten Augsburg und Prag an der Umweltforschungsstation Schneefernerhaus (UFS) installiert.

In 2650 Metern Höhe ist der knapp zwei Quadratzentimeter kleine Halbleitersensor mitsamt einer Elektronikbox und einem Bildschirm in einer Hütte untergebracht. Der Hightech-Chip misst in Echtzeit. Wenn auf dem Bildschirm zum Beispiel runde blaue Flecken und schmale Streifen erscheinen, wissen die Forschenden sofort, dass gerade Alpha-, Elektronen- oder Myonenteilchen der galaktischen kosmischen Strahlung ankommen. „Auf diese Weise wird die für das menschliche Auge unsichtbare Strahlung deutlich. Die Spuren sind charakteristisch für verschiedene Teilchenarten“, erklärt Dr. Frank Jansen vom DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen. Letztlich kann sogar die Flugbahn der Teilchen in der Erdatmosphäre und im Weltraum bestimmt werden.

Die Tschechische Technische Universität Prag (CTU) stellt den Messaufbau zur Verfügung. In Zusammenarbeit mit dem Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) in Oberpfaffenhofen und mit der Universität Augsburg wird außerdem der Zusammenhang zwischen atmosphärischen Schwerewellen im Höhenbereich der Mesopausenregion und dem Teilchenfluss an der Erdoberfläche untersucht. Schwerewellen sind von der Schwerkraft getriebene Schwankungen von Luftmassen. Sie werden in den unteren Schichten der Atmosphäre angeregt, wenn Luftmassen beispielsweise über Berge strömen. Die Mesopausenregion befindet sich in 80 bis 90 Kilometern Höhe. Sie reagiert besonders empfindlich auf Klimasignale

Zusätzlich beobachten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Radon-Zerfallsprodukte. Diese natürliche Radioaktivität ist immer vorhanden, aber regional unterschiedlich stark. Auch aus Alpengestein tritt Radon aus. In den nächsten Jahren soll ein europa- und später weltweites Netzwerk von Messstationen entstehen. So könnten die Forschenden die Belastung für die Umwelt in großem Maßstab erfassen.

Einsatz auch bei interplanetaren Missionen möglich

Der Timepix3-Detektor ist ein hybrider Pixeldetektor. Er wurde für die Messungen in Beschleunigeranlagen der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) konzipiert. „Aber mittlerweile gibt es hochinteressante Ergebnisse aus anderen Bereichen der Physik und der Medizin“, sagt Dr. Frank Jansen. Der Detektor hat zum Beispiel vom Satelliten Proba-V aus das Strahlungsfeld in den Polarregionen vermessen. Auf der ISS erkennt er in der Cupola – dem kuppelförmigen Beobachtungsturm – aktuelle Werte. Der Timepix3 ist über viele Jahre einsatzfähig. „Er könnte bei künftigen Langzeitmissionen etwa zum Mars mitfliegen“, erklärt Dr. Frank Jansen.

Auf der Zugspitze hat der Detektor auch eine Rolle bei der Beobachtung des Weltraumwetters: Die Strahlungs- und Plasma-Ausbrüche der Sonne sind fähig, Satelliten empfindlich zu stören. Besonders starke Sonnenstürme überwinden das schützende Erdmagnetfeld und beeinträchtigen die Infrastruktur auf der Erde. Das kürzlich eröffnete DLR-Institut für Solar-Terrestrische Physik in Neustrelitz forscht zum Weltraumwetter und baut einen nationalen Weltraumwetter-Service auf.

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