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Ein Jahr am Südpol: Physiker der TU Dortmund forscht in der Antarktis

Ein Jahr in einem Land mit nur zwei Jahreszeiten: Johannes Werthebach von der TU Dortmund wird ab November in der Antarktis am Neutrino-Observatorium IceCube forschen. Der Astrophysiker und Doktorand bei Prof. Rhode hat sich schon lange intensiv mit der Datenanalyse für IceCube beschäftigt.

Zunächst bereitet er sich an der University of Wisconsin in Madison auf das Forschungsjahr vor. Er besucht acht Stunden am Tag Vorlesungen, an die sich praktische Übungen anschließen. Was er hier am WIPAC-Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center (WIPAC) lernt, schafft die Voraussetzungen für seine Arbeit am Südpol, die hauptsächlich in der Wartung und Fehleranalyse des Neutrino-Detektors besteht. Neutrinos sind zwar die zweithäufigsten Elementarteilchen, stoßen aber so selten mit anderen Teilchen zusammen, dass sie sich nur mit riesigen unterirdischen Detektoren nachweisen lassen. IceCube in der Antarktis ist derzeit das größte Neutrino-Observatorium der Welt und umschließt einen Kubikkilometer Eis. Das Zentrum der Anlage besteht aus 5160 tief unterhalb der Amundsen-Scott-Südpolstation ins Eis eingeschmolzenen hochempfindlichen Lichtsensoren (Digitalen Optischen Modulen). Diese DOMs stecken in basketballgroßen Glaskugeln und sind an 86 gleichmäßig über einen Quadratkilometer verteilten Stahltrossen befestigt. Im IceCube-Lab werden die Daten aus allen 86 IceCube-Strängen zusammengeführt, aufbereitet und per Satellit an die beteiligten Forschungsinstitute gesendet, so auch an die TU Dortmund.

Extreme Arbeitsbedinungen erfordern spezielles Training

Johannes Werthebach hatte sich auf die jährlich von der University of Wisconsin ausgeschriebene Stelle für ein „winter-over“ beworben und wird nun gemeinsam mit einer deutschen Kollegin von der Uni Münster an den Südpol gehen. 

Das sechswöchige projektspezifische Training in Madison macht Werthebach und seine Kollegin fit für die Arbeit in der Forschungsstation. Wer allerdings als „winter-over“ in der Antarktis mit etwa vierzig anderen Menschen in monatelanger Dunkelheit leben und arbeiten will, muss auch körperlich und psychisch belastbar sein. Für den ganz besonderen Arbeitsplatz Antarktis absolvieren die angehenden Südpolreisenden Mitte Oktober noch zwei Wochen Sicherheitstraining in Denver, Colorado. Die Dienstleistungsfirma Antarctic Support Contractors (ASC) bietet hier spezielle Vorbereitungstrainings für Antarktisaufenthalte an. Werthebach konnte zwischen einem Sicherheitstraining, einer Art verschärftem Erste-Hilfe-Kurs, und einem Feuerwehrtraining wählen. Er hat sich für die Feuerwehrschulung à la Antarktis entschieden. Hier herrscht eine durchschnittliche Temperatur von minus 49 Grad Celsius, es kann aber durchaus auch bis zu bis zu minus 80 Grad kalt werden. Eine weitere Besonderheit ist die extrem trockene Luft. Zwar brennt es am Südpol nicht häufiger als anderswo auf der Welt, aber die extreme Kälte und die trockene Luft erfordern besondere Vorsicht und spezielle Brandschutzvorkehrungen.

Die Reise zum Südpol beginnt etwa am 26. Oktober. Von Denver geht es zuerst nach Auckland, dann nach Christchurch in Neuseeland. Dort werden die „winter-overs“ mit Spezialkleidung für extreme Kälte ausgestattet und fliegen weiter nach McMurdo. Diese größte Forschungs- und Logistikstation der Antarktis existiert bereits seit den fünfziger Jahren des 20. Jahrhunderts und ist für antarktische Verhältnisse eine richtige Stadt, in der im Sommer über 1000 Menschen, im Winter immerhin noch 250 leben.

Dagegen ist die Amundsen-Scott-Forschungsstation mit dem Neutrino-Observatorium direkt am Südpol eher mit einem kleinen Dorf vergleichbar, in dem sich auch im Sommer höchstens 150 Menschen aufhalten. Flugzeuge können den Südpol nur im antarktischen Sommer zwischen November und Februar erreichen, und selbst dann kann sich der dreistündige Flug von McMurdo aufgrund schlechten Wetters um Tage verschieben.

Die beiden Deutschen werden dort im oberirdischen Laboratorium für die Suche und Behebung von Fehlern zuständig sein, die bei der Kommunikation mit den Sensoren im Eis entstehen können. Das fast drei Kilometer dicke, kristallklare Eis am Südpol eignet sich als optisch durchsichtiges Medium zum Nachweis der Neutrinos, die darin mit den Eisatomen zusammenstoßen und geladene Teilchen wie Elektronen oder Myonen produzieren. Fliegen diese geladenen Teilchen durch das Eis, entsteht das bläuliche Tscherenkow-Licht, das von Fotosensoren aufgezeichnet wird. Wenn ein Sensor plötzlich nicht mehr mit dem Server kommunizieren kann, oder wenn die Stromversorgung versagt, ist Abhilfe gefragt. Komponenten müssen getauscht, Hardware und Server aus- und wieder eingebaut werden können. Ganz allein sind Werthebach und seine Kollegin jedoch nicht: Am Südpol werden sie das ganze Jahr über mit dem WIPAC in Madison in ständigem Kontakt stehen.

Im Rahmen der Datenanalysen tauschen sich die Forscherinnen und Forscher der internationalen IceCube-Kooperation regelmäßig aus. Besonders intensive persönliche Kontakte ermöglicht zweimal im Jahr das „IceCube Meeting“, das jeweils einmal in den USA, einmal in Europa stattfindet.

Ankunft am Südpol bei "milden" minus 20 Grad

Johannes Werthebach und seine Kollegin werden voraussichtlich bei sommerlichen Temperaturen von vergleichsweise milden 20 Grad minus an ihrem neuen Arbeitsplatz ankommen, manchmal wird es sogar bis zu 13 Grad minus „warm“. Dank der extrem trockenen Luft kann man sich an windstillen Sommertagen auch mal stundenlang im T-Shirt draußen aufhalten. Sobald allerdings Wind aufkommt, ist es damit vorbei.

Werthebach geht davon aus, dass er in der ersten Novemberwoche am Südpol eintreffen wird. Verlassen wird er ihn erst nach ziemlich genau einem Jahr. Für ein Forschungsjahr von der TU Dortmund freigestellt, möchte er nach seiner Rückkehr vom Südpol seine Dissertation schreiben. Er promoviert über Myonen, die entstehen, wenn Teilchen auf die Atmosphäre treffen. Das Spektrum der Myonen messen: Mit den Daten, die der IceCube-Detektor liefert, hat das vorher so noch niemand gemacht.

Die TU Dortmund ist eine der Forschungseinrichtungen, die gemeinsam mit zehn anderen deutschen Institutionen zur internationalen IceCube-Kooperation gehört. Insgesamt sind hier unter Federführung der USA über 300 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus zwölf Ländern beteiligt, unter anderem aus Japan, Neuseeland, Belgien und Dänemark. Deutschland steuert den zweitgrößten finanziellen Anteil bei und stellt rund 90 der beteiligten Forscherinnen und Forscher. Deutsche Entwicklungsarbeiten haben zu verschiedenen Komponenten des Neutrino-Detektors erheblich beigetragen, zum Beispiel zur Empfangselektronik an der Oberfläche oder den digitalen optischen Modulen. Im Forschungszentrum Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY wurden beispielsweise die Lichtsensoren zusammengesetzt und getestet.



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