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Raumfahrt: Auf der Jagd nach Gravitationswellen

Die Suche nach Gravitationswellen geht in eine neue Runde: Der ESA-Satellit LISA Pathfinder soll bald im All den Blick auf eine neue Physik ermöglichen.
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Die kleine LISA hat schon viel durchgemacht. Anfang des Jahrhunderts erblickte sie voller Hoffnung das Licht der Welt. Sie wuchs, aber gedieh nie so recht. 2011 war es dann fast um sie geschehen. Doch LISA berappelte sich, sie trotzte allen Turbulenzen und gedieh dieses Mal wirklich.

Vier Jahre später steht LISA erhobenen Hauptes in einem Reinraum vor den Toren Münchens. Ihr goldiger, runder Kopf streckt sich zur Decke. Schon in wenigen Tagen wird die kleine Raumsonde zu einer großen Reise aufbrechen: Über Großbritannien und Französisch-Guayana geht es in die Tiefen des Weltalls, 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Dort soll LISA das eigentlich Unmessbare messen und den Weg für eine neue Physik ebnen – vorausgesetzt, sie lässt sich auch im All nicht unterkriegen, wohin sie bis Ende des Jahres starten soll. Das jedoch ist alles andere als sicher.

LISA, genauer gesagt LISA Pathfinder, ist die derzeit ambitionierteste – aber auch riskanteste – wissenschaftliche Mission der Europäischen Raumfahrtagentur ESA. Mit ihr wollen Ingenieure und Astronomen beweisen, dass es technisch möglich ist, so genannte Gravitationswellen nachzuweisen. "Das würde uns helfen, ein komplett neues Fenster zum Verständnis des Universums aufzustoßen", sagt ESA-Wissenschaftschef Alvaro Gimenez.

Im November soll der ESA-Satellit ins All starten und nach Gravitationswellen suchen.Laden...
LISA Pathfinder | Der ESA-Satellit ist ins All gestartet und soll nach Gravitationswellen suchen.

Gravitationswellen? Noch vor 100 Jahren gingen Physiker davon aus, dass sich Veränderungen der Schwerkraft augenblicklich über große Distanzen bemerkbar machen. Albert Einstein war damit nicht glücklich. Gemäß seiner speziellen Relativitätstheorie darf sich keine Information schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, somit auch nicht die Schwerkraft. 1916 postulierte Einstein deshalb die Existenz von Gravitationswellen – Rippel auf der Oberfläche des vierdimensionalen Raums, den Physiker Raumzeit nennen und der das Weltall sowie dessen zeitliche Entwicklung umfasst. Hervorgerufen werden die Wellen durch die Bewegung von Massen, insbesondere durch turbulente kosmische Ereignisse wie die Explosion von Sternen oder den Crash von Galaxien.

Trotz vieler Versuche ist es bislang nicht gelungen, die Wellen auf der Erde nachzuweisen. Zu klein sind die Effekte, zu stark die Störungen durch irdische Bewegungen. Zuletzt preschte das Südpol-Teleskop BICEP2 mit der Nachricht hervor, in seinen Daten Hinweise auf Gravitationswellen gefunden zu haben. Wenig später musste es sein (vorläufiges) Scheitern eingestehen. Für ESA-Projektwissenschaftler Paul McNamara ist deshalb klar: "Wollen wir Gravitationswellen nachweisen, müssen wir ins All gehen."

Blick zum Urknall

Es geht um mehr als um den Beleg, dass Einstein wieder mal richtiglag. Mit elektromagnetischen Wellen können Astronomen lediglich ergründen, was sich etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall ereignet hat. Erst dann wurde das Universum für Strahlung durchlässig. Gravitationswellen hingegen durchdringen das Weltall weit gehend ungestört. "Mit Hilfe der Schwerkraft können wir somit direkt auf den Big Bang blicken", sagt McNamara. Doch auch die Geburt, das Wachstum und der Tod massiver Schwarzer Löcher lassen sich mit Gravitationswellen untersuchen, genauso wie die Struktur unserer Galaxis. Und die Physiker erhoffen sich noch mehr: "Jedes Mal, wenn wir ein neues Fenster zum Universum geöffnet haben, war da etwas, was wir zuvor nicht erwartet hatten", sagt McNamara.

Den Traum vom kosmischen Schwerkraftblick träumen die Europäer allerdings schon lange. Im Jahr 2000 entstanden die ersten Konzepte für ein großes Gravitationswellenobservatorium namens LISA (Laser Interferometer Space Antenna) und einen entsprechenden Technologiedemonstrator. 2004 begann die Industrie mit der Umsetzung, 2008 sollte LISA Pathfinder starten. Es wurde 2011, und die Sonde hob zwar immer noch nicht ab, dafür zog sich die US-Raumfahrtbehörde NASA überraschend aus dem Projekt zurück, das sie gemeinsam mit den Europäern stemmen wollte. Das Observatorium wurde auf die lange Bank geschoben, doch konnte immerhin LISA Pathfinder gerettet werden.

"Die finanziellen Turbulenzen ließen sich zum Glück schnell überwinden, das größere Problem war die Technologie", sagt ESA-Projektleiter Cesar Garcia und schmunzelt. "Das sage ich, obwohl ich für die Technik verantwortlich bin." Die große Herausforderung: An Bord der kleinen LISA, des Technologiedemonstrators, sollen zwei Würfel aus Gold und Platin möglichst schwerelos schweben, während ein Laser ihren Abstand vermisst. Exakt 1,96 Kilogramm bringen sie jeweils auf die Waage, ihre Distanz beträgt 38 Zentimeter. Später, beim großen Observatorium, werden die Massen auf zwei oder drei Satelliten verteilt sein, die eine Million Kilometer voneinander entfernt sein sollen. Kleinste Veränderungen des Abstands werden dann hoffentlich die Existenz von Gravitationswellen verraten. Beim Pathfinder geht es dagegen darum, das System zu verstehen, seine Beschränkungen zu erkennen, mögliche Störungen zu vermeiden.

Empfindliche Technik

Das ist gar nicht so einfach – nicht einmal in der vermeintlichen Schwerelosigkeit des Alls: Der Druck des Sonnenlichts übt Kräfte auf die Sonde aus. Hin und wieder stößt das Raumfahrzeug mit Molekülen zusammen, die selbst im Vakuum des Weltraums noch anzutreffen sind. Kosmische Strahlung lädt die Quader zudem elektrostatisch auf, Temperaturschwankungen müssen vermieden werden. Selbst die Gravitation des 430 Kilogramm schweren Raumschiffs gilt es zu berücksichtigen. All das darf den Testmassen nichts anhaben; bereits eine Bewegung, wie sie vom Gewicht einer Bakterie auf der Oberfläche verursacht würde, wäre zu viel. "Wir planen die ruhigste Mission, die jemals geflogen ist", sagt Cesar Garcia.

Das Herzstück von LISA sind zwei Würfel aus einer Gold-Platin-Legierung, die jeweils in einem Behältnis mit einem Vakuum untergebracht sind. Sie dienen als Spiegel eines Laserinterferometers, der ihren Abstand exakt vermessen soll. Kleinste Veränderungen des Abstands sollen Gravitationswellen verraten.Laden...
Technologie des Satelliten | Das Herzstück von LISA sind zwei Würfel aus einer Gold-Platin-Legierung, die jeweils in einem Behältnis mit einem Vakuum untergebracht sind. Sie dienen als Spiegel eines Laserinterferometers, der ihren Abstand exakt vermessen soll. Kleinste Veränderungen des Abstands sollen Gravitationswellen verraten.

Um diese Präzision zu erreichen, haben die Ingenieure eine hochempfindliche Lageregelung für die kleine LISA entwickelt. Düsen stoßen dabei Ionen aus und können so winzige Korrekturimpulse erzeugen. Auf der Erde würden tausende solcher Triebwerke benötigt, um ein Blatt Papier anzuheben. Der Laser, der den Abstand der Testmassen bestimmt, erkennt derweil Abweichungen in der Größenordnung eines Atoms. Ingenieure bekommen bei solchen Herausforderungen feuchte Augen – und feuchte Hände. "LISA Pathfinder war für uns die erste Mission in fundamentaler Physik", sagt Michael Menking, Leiter der Wissenschaftssparte des Raumfahrtkonzerns Airbus Defence and Space, der die Sonde federführend gebaut hat. Mehr als 400 Forscher und Ingenieure waren in den vergangenen zehn Jahren am Projekt beteiligt. Sie haben es entworfen, umgesetzt und getestet – zuletzt im IABG-Testzentrum in Ottobrunn, in dessen Reinraum sich LISA gegen die Decke streckt. "Auf der Erde werden wir die Schwerkraft allerdings nicht los", sagt Menking. "Der echte Test kommt daher erst im All."

Sollte LISA Pathfinder wie geplant am 27. November starten, werden die ersten Ergebnisse nicht lange auf sich warten lassen. "Nach drei Monaten Betrieb wissen wir Bescheid, dann sind alle wesentlichen Fragen beantwortet", sagt Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover und einer der wissenschaftlichen Leiter der Mission. Wie in einem Labor sollen unterschiedliche Parameter an Bord des Technologiedemonstrators verändert werden – darunter elektrische Felder, Temperatur und Steifigkeit. Die Auswirkungen werden vermessen und mit dem physikalischen Modell der Sonde verglichen. Stimmt alles überein, ist die Technik bereit für größere Aufgaben.

Die werden allerdings zur Geduldsprobe. Im ESA-internen Wettstreit um künftige Startplätze ist die große LISA zuletzt anderen Wissenschaftsmissionen unterlegen – allen voran einem Flug zu den Jupitermonden und einem neuen Röntgenteleskop. Das Gravitationswellenobservatorium, inzwischen eLISA genannt, soll frühestens 2034 starten. "Sobald wir mit LISA Pathfinder die technischen Hürden genommen haben, müssen wir die finanziellen Hürden meistern", sagt Alvaro Gimenez. Etwa eine Milliarde Euro stehen dem Wissenschaftschef für eLISA zur Verfügung. Das reicht voraussichtlich nur für eine Basisversion. Um mehr zu erreichen, müssen die ESA-Mitgliedsländer zusätzliches Geld locker machen. Vielleicht darf auch die NASA – trotz schlechter Erfahrungen – wieder mitspielen, dann allerdings nur als Juniorpartner. "Wir werden die Mission durchziehen, aber sie muss im finanziellen Rahmen bleiben", sagt Gimenez. "Ein unterfinanziertes Programm bezahlt man nur teuer mit Verzögerungen."

2034 ist schon spät genug. Sollte die große LISA dann endlich starten, wird ihre erste Idee mehr als 30 Jahre zurückliegen, die getestete Technik ist also fast 20 Jahre alt. Ist das dann noch zeitgemäß? Gimenez zuckt mit den Schultern. Eine überzeugende Antwort hat er in Ottobrunn nicht. Immerhin: Die ESA hat schon einmal eine Arbeitsgruppe eingerichtet, die sich mit genau dieser Frage beschäftigen soll. Etwas Zeit ist ja noch.

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