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Bei GSI entsteht das neue Beschleunigerzentrum FAIR. Erfahren Sie mehr.

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14.02.2018 | Das Universum im Labor: ESA und FAIR schließen Kooperation zur Erforschung kosmischer Strahlung

Copyright: G. Otto/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Die Kooperationspartner

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Enge Zusammenarbeit

Copyright: ion42

FAIR-Anlage

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Linearbeschleuniger UNILAC – Innenansicht

Copyright: ESA

Außenbordeinsatz

Copyright: ESA-Pierre Carril

Erdbeobachtungssatellit

 

Mehr über die Auswirkungen von kosmischer Strahlung auf Menschen, Elektronik und Material zu erfahren, gehört zu den entscheidenden Fragestellungen der Zukunft in der astronautischen, aber auch der robotischen Raumfahrt. Die genauere Erforschung ist eine der zentralen Aufgaben zum effektiven Schutz von Astronauten und Raumfahrtsystemen. Um dies zu erreichen, werden die Europäische Weltraumorganisation ESA und das internationale Beschleunigerzentrum FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research GmbH), das derzeit beim GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt entsteht, künftig eng zusammenarbeiten. Eine entsprechende Kooperationsvereinbarung haben die beiden Partner am Mittwoch, 14. Februar 2018, auf dem GSI- und FAIR-Campus in Darmstadt unterzeichnet.

ESA-Generaldirektor Professor Johann-Dietrich Wörner und die FAIR-Geschäftsführung, bestehend aus dem Wissenschaftlichen Geschäftsführer Professor Paolo Giubellino, der Administrativen Geschäftsführerin Ursula Weyrich sowie dem Technischen Geschäftsführer Jörg Blaurock, besiegelten mit der Vereinbarung eine internationale Kooperation, die weitreichende Perspektiven für neue wissenschaftliche Erkenntnisse bietet. Strahlung ist ein limitierender Faktor beispielsweise für astronautische Missionen zum Mond und zum Mars, wie auch für wissenschaftliche Missionen in die Tiefen des Weltraums. Ebenfalls anwesend war ESA-Astronaut Thomas Reiter, einer der Initiatoren der Kooperation.

Einmalige Forschungsmöglichkeiten

„Die Kooperation von FAIR und ESA eröffnet einmalige Möglichkeiten für exzellente Forschung im Bereich der kosmischen Strahlung und ihrer Auswirkungen“, sagte Professor Paolo Giubellino. „FAIR wird eine weltweit einzigartige Einrichtung sein. Mit ihr können Forscherinnen und Forscher die Vielfalt des Universums gleichsam ins Labor holen, um fundamentale Fragen wie die Entstehung der chemischen Elemente im Kosmos zu untersuchen, aber auch, um Erkenntnisse über die Wirkung von Strahlen in Zellen und Festkörpern zu gewinnen und Anwendungen zum Beispiel in der Biophysik und der Materialforschung voranzutreiben. Wir freuen uns sehr auf die vertiefte Zusammenarbeit mit der ESA.“

Professor Johann-Dietrich Wörner unterstrich ebenfalls die Bedeutung der neuen Kooperation zwischen den beiden internationalen Einrichtungen: „GSI ist die einzige Einrichtung in Europa, die in der Lage ist, hochenergetische schwere Kerne zu simulieren, die in der kosmischen Strahlung vorkommen.  Mit FAIR werden bald Experimente mit einem noch größeren Spektrum an Teilchenenergien und -intensitäten möglich sein. Diese Reproduktion der kosmischen Strahlenumgebung kann uns in vielen Bereichen unterstützen, von der Materialforschung für Satellitenmissionen bis zur Radiobiologie, die sich mit den Auswirkungen der kosmischen Strahlung auf den menschlichen Organismus befasst und eine wichtige Vorbereitung für langfristig geplante astronautische Missionen zum Mond und darüber hinaus ist.“

Außerhalb der schützenden Erdatmosphäre und des Erdmagnetfelds sind Astronauten, Satelliten und Raumsonden kosmischer Strahlung ausgesetzt. Eine wesentliche Komponente der kosmischen Strahlung sind schnelle Teilchen, die bei Sternexplosionen ins All geschleudert oder von der Sonne und von fernen Galaxien ausgesendet werden. Wie wirkt sich die Strahlung bei einem langen Raumflug, etwa zum Mars, auf Menschen und Raumfahrzeuge aus? Was passiert mit der sensiblen Elektronik an Bord? Welche Materialien eignen sich in welcher Stärke als Schutzschild zur Abschirmung? Lassen sich gezielt strahlenresistente Materialien und elektronische Bauteile entwickeln? Das sind einige grundlegende Fragen, die entscheidend für die Umsetzung solcher Raumfahrtmissionen sind, damit Menschen und Materialien im Weltall die bestmöglichen Bedingungen erhalten und Gesundheitsrisiken minimiert werden.

Am Beschleunigerzentrum FAIR kann künftig Teilchenstrahlung, wie sie im Weltall herrscht, erzeugt und den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern für ihre Experimente zur Verfügung gestellt werden. Sie können beispielsweise untersuchen, wie sich Zellen und menschliches Erbgut unter kosmischer Strahlung verändern oder geschädigt werden und wie gut Mikrochips die extremen Bedingungen im Weltall aushalten.

Zu den zentralen Punkten, die in der Kooperationsvereinbarung zwischen ESA und FAIR festgehalten sind, gehören die Forschungsfelder Strahlenbiologie, elektronische Komponenten, Materialforschung, Abschirmmaterialien und Kalibrierung von Instrumenten. Dazu werden die künftige FAIR-Anlage sowie die bestehenden GSI-Beschleunigereinrichtungen genutzt, die aktuell mit wichtigen Upgrade-Maßnahmen verbessert und für ihren späteren Einsatz als Vorbeschleuniger für FAIR vorbereitet worden sind. Außerdem haben die beiden Partner Zusammenarbeit bei Technologie- und Software-Entwicklungen vereinbart sowie weitere gemeinsame Aktivitäten etwa im Innovationsmanagement.

Teilchenbeschleuniger ermöglicht große Vielfalt an Strahlenuntersuchungen

Die neue Kooperation baut dabei auf einer seit Jahren sehr erfolgreichen und verlässlichen Basis der Zusammenarbeit zwischen ESA und GSI in mehreren Forschungsprojekten auf. So läuft beispielsweise seit 2008 das Forschungsprojekt IBER (Investigations into Biological Effects of Radiation), das aktuell mit der Vergabe von Strahlzeit in eine neue Runde geht. Das Projekt ermöglicht Forschergruppen, an den bestehenden GSI-Beschleunigeranlagen biologische Effekte von Weltraumstrahlung zu untersuchen.

Bereits die Beschleunigeranlage von GSI ist die einzige in Europa, mit der alle in unserem Sonnensystem auftretenden Ionenstrahlen – vom Wasserstoff, dem leichtesten, bis zum Uran, dem schwersten – hergestellt werden können. Am künftigen Beschleunigerzentrum FAIR werden die Möglichkeiten noch erheblich erweitert: FAIR wird mit seinem Herzstück, dem 1100 Meter umfassenden Beschleunigerring SIS100, Experimente mit einem noch größeren Spektrum an Teilchenenergien und -intensitäten erlauben und die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung so genau simulieren können wie keine andere Beschleunigeranlage.

Hinter den grundlegenden Forschungsfragen stehen komplexe Beziehungen, Strahlung ist nicht gleich Strahlung. Je nachdem, welche Teilchen mit welchen Energien wie lange auf Raumfahrzeug und Insassen wirken, können ganz unterschiedliche Effekte auftreten. Außerdem gibt es die sekundäre, durch Wechselwirkungen mit Materie – etwa beim Auftreffen auf einen Schutzschild – veränderte kosmische Strahlung, die ganz andere Auswirkungen haben und biologisches Gewebe oder empfindliche Elektronik sogar mehr schädigen kann als die ursprüngliche kosmische Strahlung.

Optimierte Instrumente, Vorteile für Missionsplanung

Ziel der neuen Kooperation ist es, solche komplexen Zusammenhänge zu konkretisieren und noch fundierter zu erforschen. Die neuen Erkenntnisse können beispielsweise helfen, empfindliche Instrumente speziell für den Gebrauch im Weltraum anzupassen. Auch für das ESA-Satellitenkontrollzentrum ESOC in Darmstadt sind solche Forschungen interessant. Dort werden Satellitenmissionen gesteuert und deren Flugbahnen berechnet. Für die Missionsplanung sind detaillierte Erkenntnisse über Strahlenquellen und -wirkungen hilfreich, um Flugvarianten zu wählen, bei denen die Gesamtbelastung mit Strahlung möglichst gering ist. Sowohl FAIR als auch ESOC freuen sich sehr auf die Möglichkeiten einer erweiterten Zusammenarbeit zwischen diesen beiden Darmstädter Institutionen, die dazu beitragen, die Stadt als international etablierte Wissenschaftsstadt weiter zu stärken.

Nutzen für das Leben auf der Erde

Die Ergebnisse, die durch die neue Kooperation entstehen, werden aber nicht nur zukunftsweisende Informationen für die Raumfahrt, sondern auch für das Leben auf der Erde bringen. Daten aus den Experimenten können beispielsweise zu detaillierteren Erkenntnissen über Risiken von Strahlenbelastungen auf der Erde beitragen. Sie helfen außerdem, Strahlenschutzmaßnahmen zu optimieren und führen zur Verbesserung von Strahlentherapien für die Krebsbehandlung. (BP/IP)

Weitere Informationen

Webseite der ESA


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Die Kooperationspartner
Enge Zusammenarbeit
FAIR-Anlage
Linearbeschleuniger UNILAC – Innenansicht
Außenbordeinsatz
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v.l.n.r.: Technischer Geschäftsführer von GSI/FAIR Jörg Blaurock, Wissenschaftlicher Geschäftsführer von GSI/FAIR Professor Paolo Giubellino, ESA-Generaldirektor Professor Johann-Dietrich Wörner, Administrative Geschäftsführerin von GSI/FAIR Ursula Weyrich, ESA-Astronaut Thomas Reiter.
Die Europäische Weltraumorganisation ESA und das internationale Beschleunigerzentrum FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research GmbH), das derzeit beim GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt entsteht, arbeiten bei der Erforschung kosmischer Strahlung künftig eng zusammen. Professor Paolo Giubellino, Wissenschaftlicher Geschäftsführer von FAIR und GSI (links) sowie ESA-Generaldirektor Professor Johann-Dietrich Wörner präsentieren die Kooperationsvereinbarung.
Das neue Beschleunigerzentrum FAIR, das derzeit bei GSI entsteht, wird eine weltweit einzigartige Einrichtung sein, mit der Forscherinnen und Forscher die Vielfalt des Universums ins Labor holen können, unter anderem, um Erkenntnisse über die Wirkung von Strahlen in Zellen und Festkörpern zu gewinnen.
Für die kosmische Strahlenforschung werden die künftige FAIR-Anlage sowie die bestehenden GSI-Beschleunigereinrichtungen, unter anderem der 120 Meter lange Linearbeschleuniger, genutzt.
Die noch genauere Erforschung der kosmischen Strahlung und ihrer Auswirkungen ist eine der zentralen Aufgaben zum effektiven Schutz von Astronauten. Im Bild ESA-Astronaut Alexander Gerst während eines Außenbordeinsatzes.
Außerhalb der schützenden Erdatmosphäre und des Erdmagnetfelds sind Astronauten und Satelliten kosmischer Strahlung ausgesetzt, im Bild der Erdbeobachtungssatellit Sentinel 3. Am Beschleunigerzentrum FAIR kann künftig Teilchenstrahlung, wie sie im Weltall herrscht, erzeugt werden. Damit kann beispielsweise untersucht werden, wie gut Materialien und Mikrochips die extremen Bedingungen im Weltall aushalten.
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