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Riesen-Radioteleskop auf zwei Kontinenten


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Riesen-Radioteleskop auf zwei Kontinenten

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Von den Tiefen des Ozeans bis in die Weiten des Alls: In dieser Spezialausgabe von Futuris zeigen wir drei europäische Forschungsprojekte, die den Meeresboden, die landwirtschaftliche Nutzung der Erde und die Entstehung des Universums genauer erkunden.

Wie reagiert das Meer auf Klimawandel und Tiefsee-Bohrungen?

Das Forschungsteam das ATLAS-Projekts verbrachte gerade einen Monat auf dem Atlantik, um den Ozean und sein fragiles Ökosystem zu untersuchen. Projektkoordinator J. Murray Roberts: “Das Meer verändert sich in vieler Hinsicht: Es wird saurer, es wird wärmer – so wie sich der Globus erwärmt – aber auch die Strömungen im Meer verändern sich. Wir müssen mehr darüber erfahren.”


Laut Meeresforschern ist die Anhäufung von Veränderungen so noch nicht dagewesen. Mit 25 Expeditionen im und um den Nord-Atlantik will das ATLAS-Projekt die Wissenslücken füllen. “Zum ersten Mal sind wir so tief gegangen. Mit einem ferngesteuerten Unterwasserfahrzeug konnten wir einzigartige Bilder aufnehmen und Orte besichtigen, die noch nie ein Mensch gesehen hat”, erzählt Meeresökologin Covadonga Orejas Saco del Valle. “Dadurch konnten wir die Verteilung von Organismen und die Zusammensetzung von Lebensgemeinschaften untersuchen und mehr über die Funktionsweise dieses Ökosystems erfahren.” Das Team schickte sein ferngesteuertes Fahrzeug zwei Kilometer in die Tiefe, um die Unterwasser-Berglandschaft bei den Azoren zu untersuchen. Roberts: “Man kann den Tiefsee-Meeresgrund nicht erfassen, ohne wirklich da zu sein. Die Unterwasserfahrzeuge sind die Hände und Augen der Tiefsee-Forscher. Damit kann man weite Bereiche mit hoher Auflösung untersuchen und sehr, sehr vorsichtig Proben mit Lebewesen nehmen.”



Stichproben aus den Bereichen mit der aussagekräftigsten Artenvielfalt helfen dabei, die genetischen Verknüpfungen zwischen den Organismen im Mittelmeer und denen im Atlantik zu erkennen. Meeresbiologin Joana Boavida: “Dies sind die Standorte, die besonders wichtig sind für das Verständnis und für den Schutz. Die Informationen über die Verbindungen zwischen den Populationen sind notwendig, um europaweit die genetischen Ressourcen im Meer richtig zu managen.”



Mit den neuen Erkenntnissen lässt sich besser begreifen, wie die Meere auf den Klimawandel und auf die zunehmende industrielle Nutzung der Bodenschätze in der Tiefsee reagieren.

Daten-Ernte in der Landwirtschaft: Wer baut was an?


Präzises Wissen über die landwirtschaftliche Produktion kann helfen, Engpässe bei der Lebensmittelversorgung zu vermeiden und die Landwirtschaft effizienter und umweltfreundlicher machen. In der Ukraine sammelt das Erdbeobachtungsprojekt SIGMA Daten über Äcker und Saaten: Eine Drone transportiert eine Spezial-Kamera, die Aufnahmen mit hoher Auslösung von den landwirtschaftlich genutzten Flächen macht. Computergesteuert fliegt sie autonom über die Felder und bringt detailliertere Fotos zurück als ein Satellit.

Um Statistiken über alle Äcker erstellen zu können, nutzen die Forscher eine spezielle Handy-App und Weitwinkel-Kameras. “Wir wollen den genauen Zustand jedes Feldes kennen – wie das Saatgut aufgeht, wie es wächst, wie es in der Anbauphase gedeiht, um die bestmögliche Ernte zu erhalten”, erklärt Bohdan Yailymov vom Raumforschungsinstitut der Ukraine in Kiew. Das Forscher-Team hat mehr als 5.000 Äcker im ganzen Land aufgenommen. Alle Bilder und Daten werden mit einem spezifischen Software-Modell zu einer umfassenden Karte der landwirtschaftlichen Flächen zusammengefasst.



Nataliia Kussul, Vizedirektorin des Instituts: “Da wir ein großes Bilddatenvolumen haben, müssen wir es automatisch auswerten. Dafür entwickeln wir Modelle, die die Datenerkennungsfähigkeit des menschlichen Gehirns simulieren. Das Computersystem erkennt automatisch die Typen jeder Bodenoberfläche und jeder Saat und klassifiziert sie.”

Das System wurde in verschiedenen Ländern und Kontinenten getestet und kann Daten über die landwirtschaftliche Produktion auf der ganzen Welt liefern. Damit lassen sich Ernten besser vorhersagen und weltweite plötzliche Preissprünge bei Lebensmitteln vermeiden helfen.

Gigantisches Radioteleskop mit Antennen auf zwei Kontinenten


Radioteleskope helfen, immer weiter entfernte Punkte des Universums zu erkunden. Je größer das Teleskop, umso empfindlicher ist es. In Cambridge bauen Wissenschaftler an einem Antennenfeld als Prototyp für das weltgrößte Radioteleskop, das sich über zwei Kontinente erstrecken wird. Das SKA – kurz für Square Kilometre Array – wird unzählige, über weite Entfernungen verteilte Antennengruppen nutzen.



SKA-Projektwissenschaftler Jeff Wagg: “SKA steht für die nächste Phase in der Entwicklung der Radioastronomie. Der Plan ist, zwei Teleskope zu bauen. Eines als Niedrigfrequenz-Komponente mit 130.000 Dipolantennen in Australien. Und ein Mittel- bis Hochfrequenz-Feld mit gut 200 Parabolantennen in Südafrika.”

Radioastronom Eloy de Lera Acedo von der University of Cambridge erklärt, wie es funktioniert: “Diese Antennen, die wie ein Weihnachtsbaum aussehen, sammeln Photonen aus dem Himmel und wandeln diese in elektrischen Strom um. Der Strom steigt an die Spitze der Antenne, wo die Elektronik installiert ist, und wird dort als Signal verstärkt, das dann von unseren Supercomputern ausgewertet werden kann.”

Viele kleine statt eine große Antenne


Indem kleine Antennen in vielen Feldern angeordnet und verknüpft werden, erzielt man dasselbe Ergebnis, wie wenn man ein riesiges Parabol-Teleskop baut – und das zu einem Bruchteil der Kosten. Und: Die 130.000 Antennen, die im Australien aufgestellt werden sollen, wurden so entwickelt, dass sie kostengünstig sind, leicht zu montieren, und sehr widerstandsfähig. Eloy de Lera Acedo: “Die ganze Elektronik im Innern der Antenne muss vor eindringendem Sand geschützt werden, und das Antennengerüst ist von der Mechanik her robust genug, um Stürme mit mehr als 160 Stundenkilometern auszuhalten und andere Wetterunbilden in der Wüste.”

Die SKA-Teleskope in Australien und Südafrika sollen wie ein einzelnes, kontinenteübergreifendes Observatorium funktionieren. Die Verarbeitung aller Daten aus allen Antennen in Echtzeit wird enorme Computer-Kapazitäten in Anspruch nehmen, erklärt Rosie Bolton von der University of Cambridge: “Es werden im Grunde zwei gigantische Supercomputer sein, jeweils einer an jedem SKA-Standort. Die Datenmenge, die in den SKA-Prozessor eingegeben wird, ist größer als der gesamte weltweite Internetverkehr – wir reden da über ein riesiges System.”

Im nächsten Jahrzehnt soll das Riesenradioteleskop SKA in Betrieb genommen werden und Daten über grundlegende atomare Bestandteile unseres Universums sammeln – eine Zeitreise zurück zu dessen Ursprüngen, erklärt Wagg: “Stellen Sie sich vor, man kann einen dreidimensionalen Film über die Entstehung des Gases machen, darüber, wie Strukturen sich im Universum entwickeln, von dieser ganz frühen Zeit etwa eine Millarde Jahre nach dem Urknall bis heute, mit Galaxien wie unserer Milchstraße.”

Am Antennenfeld in Dwingeloo in den Niederlanden kann man eine bessere Vorstellung davon bekommen, wie SKA aussehen wird. Mit insgesamt 40.000 Antennen ist LOFAR, kurz für “Low Frequency array” heute eins der größten seiner Art auf der Welt.

Glasfaserkabel verbinden den Kernbereich von LOFAR und die weiter entfernten Anlagen in den Niederlanden, Deutschland, Polen, Schweden, Frankreich und Großbritannien mit dem Zentralrechner. Der kombiniert alle Signale, um Himmelskarten zu erstellen. Managing Director Michiel van Haarlem: “Die langen Grundlinien, die mit diesen internationalen Anlagen geschaffen werden, geben uns die Schärfe, die Möglichkeit, feine Details am Himmel zu sehen, die man nicht hat, wenn alle Antennen sehr dicht beieinander angeordnet sind.”

Um auf einen spezifischen Punkt am Himmel zu fokussieren, synchronisieren die Rechner die Signale der einzelnen Antennen, die ja zum Teil weit auseinanderliegen, und gleichen so Zeit- und Bildverschiebungen aus.

Auch SKA wird seine schier unvorstellbare Datenmenge durch Glasfaserkabel leiten. Kommerzielle Anlagen dieser Art kosten etwa 1.000 Euro das Stück. Die Forscher entwickelten eine billigere Variante, passend für einen Standard-USB-Anschluss. Systemforscher Peter Maat: “Wir haben den Preis auf etwa 25 Euro pro Anschluss gesenkt, das ist eine maßgebliche Kostenreduzierung. Die Technologie, die man dafür erhält: Ein kleines, einstöpselbares Modul, das genau die Aufgaben erfüllt, die wir wünschen.”

In wenigen Jahren soll sich das größte Radioteleskop der Welt über dreitausend Kilometer erstrecken. Es soll für die Astronomen bei der Erforschung des Universums ein Instrument mit noch nie dagewesener Bildschärfe und Empflindlichkeit werden…

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