Wissenschaft und Technologie
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Galaxy

Licht - Das ewige Rätsel

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© ESO/ Digitized Sky Survey 2, David De Martin
Licht im Kosmos - hier der helle Schein von Alpha Centauri
Kosmisches Phänomen mit vielen Rätseln

Ohne Licht kein Leben - das Licht ermöglicht nicht nur unsere Existenz, es prägt auch unser gesamtes Universum und selbst unserem Alltag. Gleichzeitig ist das Licht eine der fundamentalsten und bis heute rätselhaftesten Phänomene der Physik - und es sorgt noch immer für reichlich Überraschungen.

Das Jahr 2015 wurde von der UN zum Internationalen Jahr des Lichts ausgerufen. Damit soll einerseits auf die Bedeutung des Lichts als Phänomen hingewiesen werden, gleichzeitig geht es aber auch um die Vielzahl der Technologien und Anwendungen, die wir dem Licht verdanken. Das Spektrum reicht von der Fotografie über Laser, Solaranlagen und nicht zuletzt die Datenkommunikation durch optische Leiter.

In diesem Dossier stellen wir nun zunächst das Licht als physikalisches Phänomen vor - mit allen seinen Rätseln, Überraschungen und offenen Fragen. In loser Folge werden wir dann in den nächsten Monaten weitere Aspekte des Lichts betrachten, darunter Laser und photonische Anwendungen.

Cloud Lightning

Das Klangbild vom Donner: "Ein Bild, das man sich über den Kamin hängen könnte"

Forscher wandeln Geräusch des Blitzschlags in charakteristisches Klangbild umBlitze leuchten, Donner grollt - und nicht umgekehrt. Aber was man bei Gewitter normalerweise nur hört, haben US-Forscher nun auch sichtbar gemacht: Sie haben Blitzschläge gezielt ausgelöst und den Donner mit Mikrophonen belauscht, um dann in Bildern eine akustische Signatur der Blitze zu erstellen. Die mysteriösen Einzelschritte, die zum Blitzschlag führen, wollen sie so voneinander trennen und besser verstehen.

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Künstlich ausgelöster Blitzschlag: Der verwendete Kuperdraht glüht grünlich, die insgesamt neun Blitzentladungen links davon leuchten violett.
"Donner und Blitz sind faszinierend, wild und unvorhersehbar", schwärmt der Geophysiker Maher Dayeh vom Southwest Research Institute in Texas. "Blitze treffen die Erde mehr als vier Millionen Mal am Tag, aber die Physik hinter diesem hitzigen Prozess verstehen wir nur wenig." Ein generelles Modell existiert zwar darüber, was vom Blitz zum Donner führt. Welche der vielschichtigen physikalischen Vorgänge bei der Entladung eines Blitzes genau den Donner verursachen, ist aber bislang schleierhaft.

Denn Blitze bestehen nicht nur aus dem leuchtenden Einschlag, den wir sehen. Stattdessen fließen in einer Gewitterwolke ganze Kaskaden elektrischer Ladung hin und her und nähern sich schrittweise dem Boden. Dies öffnet gewissermaßen einen Pfad für einen "Rückschlag", der den für uns sichtbaren Blitz bildet.

Satellite

Raumsonde New Horizons nähert sich Pluto und hält nach gefährlichem Schutt Ausschau

Seit dem 11. Mai 2015 hält New Horizons Ausschau nach bislang unbekannten Monden und möglichen Ringen im Plutosystem, welche eine Gefahr für den Vorbeiflug am 14. Juli 2015 sein könnten.

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© © NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute
Erste Farb-Aufnahme der Sonde New Horizon im Anflug auf Pluto
Noch sind es rund zwei Monate, die uns vom Vorbeiflug der US-Raumsonde New Horizons am Zwergplaneten Pluto trennen. Aber schon jetzt beobachtet die Raumsonde systematisch Pluto, um ihre Bahn durch das aus insgesamt sechs Himmelskörpern bestehende System zu optimieren. Dazu gehört auch, nach möglichen Gefahren für New Horizons Ausschau zu halten, zum Beispiel nach bislang unbekannten Monden oder auch Ringen aus Staub, welche Pluto oder Charon umgeben könnten. Da sich New Horizons bei ihrem Vorbeiflug am 14. Juli 2015 mit rund 50 000 Kilometer pro Stunde (14 Kilometer pro Sekunde) relativ zu Pluto und seinen Trabanten bewegt, wäre schon der Zusammenstoß mit einem Objekt von der Größe eines Reiskorns das Ende für die Sonde. Schon ein Sandkorn könnte sie bei dieser Geschwindigkeit stark beschädigen. Allerdings gehen die Missionsplaner derzeit davon aus, dass eine Wahrscheinlichkeit von 1 zu 10 000 besteht, dass New Horizons beim Vorbeiflug beschädigt oder zerstört wird.

Blue Planet

Unsichtbare Monsterwellen - 200 Meter hoch und doch unter Wasser

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© M. H. Alford et al., Scripps Institution of Oceanography
Numerische Simulation von internen Tiefenwellen, die hier Höhen von bis zu 200 Metern erreichen.
La Jolla (USA) - Meterhohe Wellen schlagen ununterbrochen an die Küsten der Ozeane. Viel höher als selbst Tsunami-Wellen bauen sich unsichtbare Wogen unter der Wasseroberfläche auf. Diese internen Wellen analysierte nun eine multinationale Forschergruppe in der Luzon-Straße zwischen den Philippinen und Taiwan. Dort breiten sich nach bisheriger Kenntnis die stärkten Wellen mit Höhen von mehreren hundert Metern aus. Die von dieser Wasserbewegung verursachten Turbulenzen haben einen großen Einfluss auf Klimaprozesse, die Navigation unter Wasser und den Nährstofftransport in den Ozeanen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature.

„Diese internen Wellen können höher als Wolkenkratzer sein und sind wichtig für Ökosysteme und das Klima“, sagt Erstautor Matthew H. Alford von der Scripps Institution of Oceanography an der University of California San Diego. Gemeinsam mit Kollegen von insgesamt 25 Instituten aus fünf Ländern gelang es Alford, mehr über Entstehung und Verhalten dieser Tiefenwellen zu erfahren. Dazu organisierten sie eine groß angelegte Messkampagne, bei der sie während des Sommers 2011 sowohl vor Ort mit Bojen und Strömungssensoren als auch mit Satellitenaufnahmen einen umfassenden Datensatz in der Luzon-Straße sammelten. Für die Auswertung dieser Daten nutzten die Meeresforscher verschiedene numerische Modelle.

USA

US-Militär entwickelt Ganzkörperanzüge, die ihre Soldaten unsichtbar machen sollen

Nach dem neuen Drohnen-System LOCUST, entwickelt das US-Militär nun fortschrittliche Tarnsysteme. Es sind erste Anzüge präsentiert worden, die die Soldaten unsichtbar machen sollen. Diese könnten den US-Streitkräften immense Vorteile gegenüber anderen Militärs verschaffen.
© Focus Online/Wochit
Die US-Armee hat Firmen den Auftrag gegeben, "intelligente" Stoffe zu entwickeln, um ihre Soldaten unsichtbar erscheinen zu lassen. Die ersten Prototypen sollen in 18 Monaten getestet werden, berichtet die britsche Zeitung Daily Mail. Die Armee erhofft sich einiges vom Projekt mit dem Namen "Unsichtbare Ganzkörperanzüge": Sie sollen in jeder Vegetation und Temperatur funktionieren, ob Wüste oder Dschungel.

Frog

Ist Blindheit heilbar? Erstes Experiment bei Mäusen geglückt

Ersatz-Fotorezeptor könnte Patienten mit defekten Lichtsinneszellen wieder sehen lassen
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© Sonja Kleinlogel
Längsschnitt durch die Netzhaut einer blinden Maus, nach der Therapie mit einem neuen Lichtrezeptor. Die Opto-mGluR6-tragenden Zellen sind mit einem Fluoreszenz-Farbstoff markiert und leuchten rot.
Von Blindheit geheilt: Forscher haben erblindeten Mäusen zu neuer Sicht verholfen. Dies gelang ihnen, indem sie die durch eine Erbkrankheit abgestorbenen Lichtrezeptoren im Auge durch eine neue "Lichtantenne" ersetzten. Die Versuchstiere konnten damit wieder sehen. Dieser Ansatz könnte auch erblindeten Menschen das Augenlicht wieder zurückgeben, beispielswise Patienten mit Retinopathia pigmentosa oder einer Makuladegeneriation, schreiben die Forscher im Fachjournal "PLoS Biology".

Bei der vererbten Augenkrankheit Retinopathia pigmentosa verlieren Betroffene nach und nach ihr Augenlicht. Die Lichtsensoren der Netzhaut, die sogenannten Fotorezeptoren, sterben ab. Oft kommt es bereits im Jugendalter zu ersten Symptomen wie Nachtblindheit. Im Laufe der Jahre werden die Augen immer weniger lichtempfindlich, bis die Patienten nach mehreren Jahrzehnten erblinden. Zwei bis drei Millionen Menschen sind weltweit von dieser bislang unheilbaren Erbkrankheit betroffen.

Neue Lichtantenne für die Zellen

Mit den Fotorezeptoren geht das erste Glied in der Kette der Signale zum Gehirn verloren, die Augen verlieren gewissermaßen die Antenne für das einfallende Licht. Der Rest der Kette ist jedoch noch vorhanden: "Auch wenn die Fotorezeptoren ihre Funktion verlieren, sind die darunter liegenden Nervenzellen, die normalerweise die visuelle Information erhalten und verarbeiten, noch voll funktionsfähig", erläutert Sonja Kleinlogel von der Universität Bern.

Eye 1

NSA nutzt modernste Spracherkennungssoftware um Millionen von Telefonaten in Text umzuwandeln

Dank modernster Spracherkennungssoftware wandelt der US-Geheimdienst NSA täglich Millionen von Telefongesprächen in Text um, die dann durch Suchalgorithmen ausgewertet werden. Dies zeigen neu veröffentlichte Dokumente aus dem Snowden-Archiv.
So etwas wie geheime Telefonate gibt es so gut wie gar nicht mehr. Dank der Zusammenarbeit vieler nationaler Geheimdienste - darunter auch jene Deutschlands und Österreichs - mit der NSA, landen auch hier geführte Telefonate direkt zur Auswertung bei den Amerikanern. Geheimdienstexperten bezeichnen die Spracherkennung als "heiligen Gral" der Spionagearbeit, da hier massenhaft verbale Daten aufgezeichnet und analysiert werden können.

Sherlock

Legendärer Piratenschatz von William Kidd vor Madagaskar entdeckt?

Vor Madagaskar könnten US-Forscher auf einen Schatz des legendären Piraten William Kidd gestoßen sein. Doch die Unesco kritisiert die Wissenschaftler.

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Vor Madagaskar wollen Forscher einen Piratenschatz eines berüchtigten Piratenkapitäns gefunden haben. Symbolbild
Handelt es sich tatsächlich um den Schatz des berüchtigten Piratenkapitäns William Kidd? Amerikanische Forscher wollen auf der Insel Sainte-Marie vor der Ostküste Madagaskars Teile des Piratenschatzes von William Kidd entdeckt haben. Das US-Forscherteam barg unter der Leitung des Archäologen Barry Clifford am Donnerstag einen wohl aus dem 17. Jahrhundert stammenden 50 Kilogramm schweren Silberbarren. Die UN-Kulturorganisation Unesco bemängelte allerdings ein wissenschaftlich unsauberes Vorgehen der Forscher.

Pyramid

Neue Sorte: "Röntgenschokolade" - Und dem weißen Fettreif auf der Spur

Hightech-Analyse zeigt, wie der unerwünschte weiße Fettreif entsteht
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© Svenja Reinke/ TUHH
Röntgenlicht ziegt, was in der Schokolade vor sich geht, wenn sie Fettreif bildet. Mit DESYs heller Röntgenquelle PETRA III konnten die Forscher die Wanderung von flüssigem Fett (gelb) durch die Schokolade erstmals live beobachten. Charakteristische Streubilder (rechts) liefern Informationen über nanometerkleine Strukturen.
Schokolade als Röntgen-Patient: Mit Hightech-Methoden haben Forscher erstmals tief ins molekulare Innenleben der Schokolade geschaut. Die Röntgen-Analysen enthüllten, wie und warum die beliebte Süßigkeit manchmal einen unkleidsam weißlichen Überzug entwickelt, den sogenannten Fettreif. In Echtzeit konnten die Wissenschaftler unter anderem verfolgen, welche Rolle dabei flüssige Fettanteile der Schokolade spielen. Die Beobachtungen sollen helfen, dem Fettreif vorzubeugen.

Schokolade ist eine der beliebtesten Süßigkeiten überhaupt - und ein Forschungsobjekt. Denn Wissenschaftler versuchen nicht nur herauszufinden, was ihr ihr typisches Aroma verleiht, sie tüfteln auch an Schokoladen mit geringerem Fettgehalt oder experimentieren mit Lager- und Röstmethoden des Kakaos, um noch mehr gesunde Inhaltsstoffe in die süße Verführung zu bekommen.

Dem Fettreif auf der Spur

Jetzt hat es die Schokolade sogar in eine der Hightech-Forschungseinrichtungen unseres Landes gebracht: ins Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg. Dort durchleuchteten Svenja Reinke von der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) und ihre Kollegen Schokolade mit einer besonders energiereichen Röntgenlichtquelle, um einer häufigen, aber unbeliebten Veränderung an Schokoriegel und Co auf den Grund zu gehen: dem sogenannten Fettreif.

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Rocket

SpaceX - Testpuppe muss auf den Schleudersitz

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© AFP
"Dragon"-Kapsel kurz nach dem Start: Das private Raumfahrtunternehmen SpaceX hat eine Art Schleudersitz fürs All getestet.
Es ist eine dieser Vorkehrungen, die hoffentlich nie gebraucht werden: SpaceX hat eine Art Schleudersitz für Astronauten getestet. Diesmal schoss das Unternehmen nur eine Puppe ins All, 2017 sollen Menschen mitfliegen.

Die private US-Raumfahrtfirma SpaceX hat am Mittwoch erfolgreich einen neuen Auswurfmechanismus für Raketen getestet. Mit seiner Hilfe sollen sich Astronauten im Falle einer Fehlfunktion während des Fluges in Sicherheit bringen können. Der Test fand am Weltraumbahnhof Cape Canaveral in Florida statt.

Bei dem nur 90 Sekunden dauernden Test schoss SpaceX eine Puppe an Bord der Raumfähre "Dragon" auf eine Höhe von rund 1500 Metern. Dort wurde die Raumkapsel samt Puppe vom Antriebsmodul abgetrennt, segelte an drei Fallschirmen zur Erde und landete vor der Küste Floridas im Meer.

"Dieses System soll die Crew und ihr Raumschiff bei einem potenziellen Defekt schnell von der Rakete wegbringen", hatte SpaceX vor dem Test mitgeteilt. Die neue Sicherheitsmaßnahme sei mit einem Schleudersitz für Kampfpiloten vergleichbar, nur werde hierbei das gesamte Raumschiff von der Rakete weggeschleudert.