Staubsaugen in 20 Kilometer Höhe

20.03.2015

Staubsaugen in 20 Kilometer Höhe

Doktorandin und ihr Team wollen Wolken besser verstehen

Wie menschengemacht ist das Ozonloch? Was schwebt außer waghalsigen Fallschirmspringern noch in unserer Stratosphäre herum? Diesen und anderen Fragen gehen Katharina Schütze und ihr Team im Rahmen einer „Ballonkampagne“ von Forschungsorganisationen nach. Die Suche führt sie nach Nordschweden und in die polare Stratosphäre.

Impaktor, durch welchen Luft zum Probenträger gesaugt wird. Bild: Jannes Lüdtke
Wolkenanalyse wie mit einem Staubsauger: Durch den Impaktor wird die Stratosphären-Luft eingesaugt. Bild: Jannes Lüdtke

Es gibt Wolken, die nicht aus Wasser bestehen, sondern aus kristallisierter Schwefel- und Salpetersäure. In unseren Gefilden kann man die seltsam schimmernden Ansammlungen von perlmuttartigen Farben nicht bewundern, denn sie entstehen lediglich im polaren Winter und Frühjahr bei Temperaturen unter minus 78 Grad Celsius und in einer Höhe von 20.000 bis 30.000 Metern.

Da an der Oberfläche dieser Wolken heterogene Reaktionen stattfinden, führt dies zum vermehrten Ozonabbau in der polaren Stratosphäre. Die Rede ist von polaren Stratosphärenwolken, einem Phänomen, dem Katharina Schütze, Doktorandin am Institut für Angewandte Geowissenschaften der TU Darmstadt, ihre Doktorarbeit gewidmet hat.

Zusage kam prompt

Im Dezember 2014 hatten sie deshalb mit ihren Mitstreitern Markus Hartmann und Andreas Taufertshöfer an einer jährlich stattfindenden Ausschreibung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und des Swedish National Space Board (SNSB) teilgenommen. Die Organisationen wählen im Rahmen des BEXUS-Programms internationale studentische Experimente aus, um sie mit Ballons in der Stratosphäre durchzuführen. Wenige Wochen später kam die Zusage. Lediglich die Größe ihres Teams sollten die Darmstädter Forscher noch erweitern.

Katharina Schütze und ihr seitdem sechsköpfiges Team interessieren dabei Partikel in der Größenordnung von 20nm-1µm, an denen in der polaren Stratosphäre Schwefel- und Salpetersäure kondensieren – die stratosphärischen Wolken entstehen. Ein zu diesem speziellen Zweck entwickelter Sammler soll den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern helfen, diese Wolken besser zu verstehen.

Vereinfacht gesagt handelt es sich bei dem Gerät um eine Art Staubsauger. Im Innern befinden sich jedoch anstelle eines Staubbeutels Probenträger. Eine Pumpe saugt die Luft durch einen Impaktor ein, an dessen Eingang mehrere Düsen dafür sorgen, dass nur Partikel der gewünschten Größe hindurch kommen. Dahinter befindet sich der Probenträger aus Bor, auf dem sich die Partikel sammeln.

Expedition nach Schweden

Katharina Schütze, Doktorandin am Institut für Angewandte Geowissenschaften der TU Darmstadt. Bild: Jannes Lüdtke
Will Stratosphärenwolken verstehen: Katharina Schütze, Doktorandin am Institut für Angewandte Geowissenschaften. Bild: Jannes Lüdtke

Im Herbst dieses Jahres ist es soweit: Dann fährt das Team mit ihrem Sammler für zehn Tage in das nordschwedische Kiruna zur European Space and Sounding Rocket Range (kurz Esrange). Dort werden an zwei Heliumballons mit einer Gesamtlänge von über hundert Metern insgesamt sechs Versuchsanordnungen aus verschiedenen Ländern Europas auf ihren Weg in die Stratosphäre gebracht.

Die Ballons werden einzig durch die Strömung angetrieben und nach Abschluss der Experimente zum Absturz gebracht. Mit den frischen Proben im Gepäck geht es dann wieder zurück nach Darmstadt, wo die Forscher die gesammelten Partikel unter einem Elektronenmikroskop auf Größe, Morphologie und chemische Zusammensetzung überprüfen. Dann wird sich herausstellen, ob diese natürlichen Ursprungs sind oder durch menschliche Aktivität in die polaren Stratosphäre gelangt sind.

Weiterhin wird es mit diesen Ergebnissen möglich sein, Rückschlüsse daraus zu ziehen, ob auf den Partikeln Schwefel- und Salpetersäure kondensieren können. Dies würde zum Entstehen der schimmernden Wolken und dadurch wiederum zum vermehrten Abbau von Ozon in der polaren Stratosphäre führen.

„Es ist eine tolle Gelegenheit, um mit internationalen Studierenden und internationalen Expertinnen und Experten zusammenzuarbeiten und viele Erfahrungen zu sammeln“, findet Katharina Schütze. „Vor allem weil die ganze Infrastruktur gestellt wird.“ Die Kosten übernimmt größtenteils das DLR und auch bürokratische Hürden muss Schütze nicht mehr überwinden. „Wir hatten vorher schon mal überlegt, selbst einen eigenen Ballon nördlich des Polarkreises steigen zu lassen, aber die Genehmigung dafür zu bekommen ist sehr schwer. Da war ich froh, als ich in einem E-Mail-Verteiler von der Ausschreibung erfahren habe“, freut sich die Doktorandin.

Hoffentlich funktionieren die Instrumente

Noch wartet viel Arbeit auf das Team. Alle zwei Monate müssen sie dem DLR Bericht erstatten und bekommen auch Anregungen für Verbesserungen. Außerdem müssen sie zahlreiche Vorversuche durchführen, um den Erfolg des Experiments sicherzustellen. So muss zum Beispiel überprüft werden, ob die Pumpe des Sammlers auch bei den in der polaren Stratosphäre zu erwartenden Temperaturen von bis zu minus 80 Grad Celsius ihren Dienst fehlerfrei verrichten kann.

Doch wenn all das getan ist und die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen um Katharina Schütze – Markus Hartmann, Andreas Taufertshöfer, Vaishnavi Srinivasan, Srivathsan Raghavan Sundarasrinivasan und Felix Wittmann – die Ergebnisse ausgewertet haben, werden sie einen großen Schritt weiter sein mit der Antwort auf die Frage, wie groß der Einfluss des Menschen auf seine Umwelt in über 20.000 Metern Höhe noch ist.

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