Bericht

Die Sommerschule Alpbach 2009:
58 Studentinnen und Studenten suchten Exoplaneten
Ein Bericht von Michaela Gitsch (FFG) & Helmut Lammer (IWF/ÖAW)
Sommerschule Alpbach: Ideenpool und Kaderschmiede
Die Sommerschule Alpbach bestätigte auch 2009 ihren herausragenden Ruf als Bildungsstätte des kreativen
wissenschaftlichen Nachwuchses. 58 junge Wissenschaftler, Ingenieure und Studenten aus 17 Mitgliedsstaaten der
Europäischen Weltraumorganisation ESA im Alter zwischen 22 und 32 Jahren (darunter 10 Studentinnen und Studenten
aus Graz, Innsbruck und Wien) beschäftigten sich vom 21. bis 30. Juli mit dem Thema „Exoplanets: Discovering and
Characterizing Earth Type Planets“.
Bereits zum 33. Mal lud die Sommerschule ins malerische Bergdorf Alpbach in Tirol ein. Im Visier der Jungforscher stand
diesmal im Rahmen des Internationalen Jahres der Astronomie das hochaktuelle Thema Exoplaneten - Entdeckung und
Charakterisierung von Erdähnlichen Planeten. Die jungen WissenschaftlerInnen und TechnikerInnen wurden bei der
Sommerschule zu Planetenjägern und erhielten einen Einblick, wie man Planeten außerhalb unseres Sonnensystems
finden und erforschen kann.
Wie in Alpbach Tradition, wurden die TeilnehmerInnen durch hochkarätige Vorträge von international anerkannten
Experten an die Thematik herangeführt. Danach begann der praktische Teil. Die Studentinnen und Studenten mussten ihr
erworbenes Wissen in Missionsvorschläge umsetzen.
Dabei wurde wie immer besonderer Wert auf die Verbindung von Theorie und Praxis gelegt. Intensive Unterstützung kam
von der ESA und deren Mitgliedsstaaten sowie dem International Space Science Institute ISSI. Finanziell unterstützt
wurde die Sommerschule auch wieder von Austrospace, der Vereinigung der österreichischen Raumfahrtindustrie und im
Internationalen Jahr der Astronomie zusätzlich von der Europäischen Südsternwarte ESO.
Sie ist eine geschätzte und begehrte Institution geworden: eine Ideenfabrik und Kaderschmiede für die europäische
Raumfahrt. Alljährlich ermöglicht sie jungen Doktoranden, Wissenschaftern und Ingenieuren einen Einblick in aktuelle
Weltraumforschung: und dies in einer einzigartigen Kombination aus Vortragsveranstaltungen und praktischen
Workshops.
Was 1975 mit einer kleinen Veranstaltung in dem idyllisch gelegenen Bergdorf Alpbach begann, hat sich zu einer äußerst
erfolgreichen, europaweiten Fortbildungsreihe, ja geradezu zu einem Selbstläufer entwickelt.
Das Thema 2008: Exoplaneten
Die Sommerschule bot den jungen Leuten die Möglichkeit, von internationalen Experten ausführliche Antworten auf
folgende Fragen zu bekommen:
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Welche Bedingungen sind zur Entstehung von Planeten-Systemen erforderlich
Bei welchem Typ von Sternen ist die Suche nach erdähnlichen Planeten besonders lohnend
Eignen sich solche erdähnlichen Planeten auch für die Entstehung von Leben, wie wir es kennen
Wie kann eventuelles Leben auf extrasolaren Planeten von der Erde aus festgestellt werden
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Neue Missionskonzepte waren in Alpbach gefragt
Nach der Theorie ging es im Workshop-Teil an die technische Umsetzung einer innovativen Planetenjäger-Mission. Die
Studentinnen und Studenten erarbeiteten im praktischen Teil der Sommerschule, eingeteilt in vier Teams mit jeweils 15
TeilnehmerInnen und unter der fachkundigen Anleitung von Tutoren, konkrete Missionsvorschläge für möglichst
neuartige Planetenjägermissionen.
Am letzten Tag der Sommerschule wurden die Arbeiten der vier Gruppen vorgestellt und diskutiert. Die von den
JungforscherInnen entwickelten Szenarien wurden von einer Jury hochkarätiger Fachleute individuell nach der Güte der
wissenschaftlichen und technischen Ausrichtung und Wettbewerbsfähigkeit begutachtet.
Die Arbeitsteams
Aufgeteilt in vier Teams (Team Blue, Green, Orange, Red) wurde unter Anleitung von Tutoren je eine spezifische Mission
erarbeitet. Die Anforderungen waren hoch, am Ende der Sommerschule sollte je ein ausgereiftes Missionskonzept
stehen, das im Prinzip von einer Weltraumorganisation übernommen werden könnte. Die jungen ExpertInnen mussten
nicht nur die für das wissenschaftliche Ziel nötige Instrumentierung auswählen und beschreiben, sondern auch die
Grundkonstruktion des Satelliten und seiner Subsysteme erarbeiten, die Umlaufbahn definieren und die
voraussichtlichen Kosten der Mission ermitteln.
Die Projektvorschläge im Einzelnen:
Team Blue: CST: Carl Sagan Space Telescope
Die CST-Mission wird als gemeinsames ESA/NASA-Projekt vorgeschlagen. Die wissenschaftlichen Ziele des „blauen
Teams“ fokussieren sich auf die Studie und Charakterisierung von potentiellen Habitaten (Transitplaneten) innerhalb der
bewohnbaren Zone durch eine gemeinsame Beobachtung im mittleren-IR und UV (Lyman Alpha Linie)
Wellenlängenbereich. Die Hauptziele sind: (i) ein Test des Konzepts der bewohnbaren Zone; (ii) die Entdeckung von
Biomarker im Kontext zur Molekülentstehung; (iii) das Studium der Atmosphärenevolution bei Planeten, die um Sterne
mit unterschiedlichem Alter kreisen; (iv) das Studium von Wasserwelten und CH4-reichen Atmosphären durch die
Beobachtung von Wasserstoffkoronae (Wolken) im UV und parallele Charakterisierung der Hauptatmosphären im nahenIR. Diese gemeinsame Beobachtung erlaubt die Unterscheidung zwischen Planeten welche große Wassermengen in den
Weltraum verlieren, durch methanogene Bakterien produzierte Methan/Wasserstoffreiche Atmosphären besitzen und
primordiale Atmosphären (migrierte super-Titan-ähnliche Planeten, etc.). Nach Abschätzung des Teams sollten sich etwa
170 Targets um G, K und M Sterne mit ca. 35 Planeten in der bewohnbaren Zone innerhalb einer Reichweite von 20 pc
befinden. Um die wissenschaftlichen Ziele zu erfüllen wurde ein auf JWST-beruhendes Instrument mit einem 7 m
durchmessenden Spiegel studiert. Das Instruments besteht aus einem mittleren-IR Teil/Teleskop und einem mittleren-IRSpektrographen sowie einen „Fine Tracking Imager“. Das UV-Teleskop besitzt einen Durchmesser von ca. 2.9 m, hat
einen Spektrographen ähnlich wie STIS auf Hubble und ist am unteren Teil der Teleskopvorrichtung angebracht. Die
obere Grenze der Masse des Satelliten/Teleskops wird auf ca. 7400 kg geschätzt. Das Teleskop wird mit einer Ariane 5
ECB Rakete in den Weltraum transportiert und am L2-Punkt positioniert. Die Daten werden via ESA-Bodenstationen
MOC/ESOC, ESAC, New Norica empfangen, aufbereitet und den Wissenschaftlern sowie der Öffentlichkeit zur Verfügung
gestellt. Die Gesamtkosten der Mission werden auf ca. 3000 Millionen Euro geschätzt.
Team Green: DWARFS: Diverse Worlds Around Faint Stars
Die wissenschaftlichen Ziele des „grünen Teams“ beschränken sich auf die genaue Charakterisierung von
Gesteinsplaneten in Orbits von kühlen, aktiven Zwergsternen und befassen sich mit den folgenden Themen: (i) können
sich innerhalb der bewohnbaren Zone bei M-Stern-Gesteinsplaneten erd-ähnliche Stickstoff/Sauerstoffatmosphären
entwickeln?; (ii) die Suche nach Biomarkern; (iii) das Studium von planetarer Evolution anhand einer Auswahl von MStern-Planeten; (iv) Studium der Atmosphärenevolution (inklusive Silikat-Atmosphären von super-Merkur-ähnlichen
Exoplaneten) bei aktiven M-Sternen im Vergleich mit den Atmosphären der Planeten im Sonnensystem (Erde, Venus)
während der aktiven Periode der jungen Sonne. Aufgrund der großen Anzahl von M Sternen ergibt eine Abschätzung dass
die DWARF-Mission in etwa 30 Planeten innerhalb von 15 pc Entfernung beobachten wird. Die Verwirklichung der
wissenschaftlichen Ziele soll mit einem ca. 4 m Teleskop, welches planetare Transmissions- und Emissionsspektren von
bekannten Transitplaneten untersucht, verwirklicht werden. Das Instrument besitzt eine Instrumentenkammer, IRSpektrometer, VIS/NIR-Photometer und ein thermisches Kontrollsystem für die Nutzlast. Das Teleskop besitzt einen
Primär und einen Sekundärspiegel und greift auf das Spiegeldesign der Herschel-Mission zurück. Die obere Grenze der
Masse des Satelliten/Teleskops wird auf ca. 2960 kg geschätzt. Das Teleskop wird mit einer Ariane 5 Rakete in den
Weltraum transportiert und am L2-Punkt positioniert. Die Daten werden via ESA-Bodenstationen MOC/ESOC, ESAC, New
Norica empfangen, aufbereitet und den Wissenschaftlern sowie der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt. Die
Gesamtkosten der Mission werden auf ca. 850 Millionen Euro geschätzt.
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Team Orange: POLAR Bear: POLARized Biomarkers from Exoplanetary Atmosphere Reflection
Als wissenschaftliche Ziele des „orangen Teams“ sollen die folgenden Fragen beantwortet werden: (i) was sind die
typischen Eigenschaften von super-Erden und erd-ähnlichen Planeten; (ii) wie repräsentativ sind Gesteinsplaneten im
Sonnensystem im Vergleich zu Exoplanetensystemen; (iii) sind super-Erden anders beschaffen als erd-ähnliche Planeten,
wenn ja wieso?; (iv) existieren „Ozeanplaneten“? Neben der Detektion und der Charakterisierung der
Planetenatmosphären auf deren chemische Zusammensetzungen ist die Entdeckung von Biomarkern ein
Hauptaugenwerk. Die gestellten Ziele sollen mit Hilfe der Spektrum-Polarimetriemethode im Wellenlängenbereich von
nahen UV bis nahen-IR erreicht werden. Die Informationen/Messungen der beobachteten Planetenatmosphären und die
Beschaffenheit möglicher Oberflächen werden durch Analyse des vom Planeten reflektierten polarisierten Lichts
ermittelt. Das vom Team vorgeschlagene Instrument beinhaltet ein Cassegrainteleskop mit einem Durchmesser von 4 m,
aktive Optik zur Kalibration von gestörten Wellenfronten und einen Sekundärspiegel mit ca. 0.3 m hinter dem
Primärspiegel angebracht. Der Sekundärspiegel leitet den Lichtstrahl an die CCDs weiter. Das Instrument benützt eine
Vier Quadrant Phasen Maske mit der das Licht des Sterns via Interferometrie ausgeblendet wird. Das Team schätzte,
dass sie mit ihrer Mission ca. 145 Planeten um K, G und F-Sterne innerhalb von 30 pc beobachten könnten. Die Methode
schließt aktive M-Sterne von der Beobachtung aus. Die obere Grenze der Satelliten/Teleskopmasse wird auf ca. 1325 kg
geschätzt. Der Satellit wird mit einer Ariane 5 Rakete in den Weltraum gebracht und am L2-Punkt positioniert. Die Daten
werden via ESOC, ESAC, etc. empfangen, aufbereitet und zur Verfügung gestellt. Die Gesamtkosten der Mission werden
auf ca. 1370 Millionen Euro geschätzt.
Team Red: PACMAN: The Planet Atmosphere Composition and Morphology Analysis Mission
Das wissenschaftliche Ziel des „roten Teams“ besteht aus der Beobachtung (Atmosphärenzusammensetzung,
Wolkenbedeckung, Albedo, Temperatur, tektonische Aktivität, etc.) von erd-ähnlichen Planeten mit einer Größe im
Bereich zwischen 1 - 2 Erdradien. Die Beobachtungen werden mit Hilfe eines 3.5 m durchmessenden Teleskops und der
Spektrum-Polarimetriemethode im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts bis nahen-IR durchgeführt. Aufgrund des
unpolarisierten Lichts des Muttersterns kann die Information des Planeten und dessen Atmosphäre aus dem
reflektierten, polarisierten Licht des Planeten bestimmt werden. Das vom Team vorgeschlagene Instrument beinhaltet
einen Primärspiegel und einen Sekundärspiegel außerhalb der optischen Achse. Mittels adaptiver Optik werden
Phasenfehler korrigiert und eine Spiegelanordnung leitet das Licht an CCDs, Feldsensoren und einem
Mehrzweckspektrometer weiter. Mit einem Koronographen wird das Licht des Muttersterns ausgeblendet. Die
Polarisationsrichtung des zu analysierenden Lichtstrahls wird mittels eines Polarisators im Strahlengang festgelegt. Das
Team schätzt, dass die PACMAN-Mission ca. 60 Planeten um K, G und F-Sterne innerhalb einer Distanz von 25 pc
beobachten könnte. Die Methode schließt aktive Sterne des M-Typs von der Beobachtung aus. Die obere Grenze der
Masse des Satelliten/Teleskops wird auf ca. 2650 kg geschätzt. Das Teleskop wird mit einer Ariane 5 ECB Rakete in den
Weltraum transportiert und am L2-Punkt positioniert. Komplementäre Beobachtungen vom Boden mit den VLT, und EELT, SALT Teleskopen sind im Missionsszenario vorgesehen. Die Daten werden via ESA-Bodenstationen (MOC/ESOC,
ESAC, etc.) empfangen, aufbereitet und den Wissenschaftlern und der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt. Die
Gesamtkosten der Mission werden auf ca. 1500 Millionen Euro geschätzt.
Am 31. Juli wurden diese vier Projekte von den einzelnen Teams in einer jeweils einstündigen Präsentation engagiert
vorgestellt, anschließend verteidigt und von einer 10-köpfigen Jury erfahrener Weltraumexperten unter dem Vorsitz von
Roger Bonnet, Direktor des International Space Science Institute ISSI und Präsident von COSPAR, begutachtet.
Die Jury bewertete jedes einzelne Projekt individuell nach der Güte der wissenschaftlichen und technischen Ausrichtung
und seiner Wettbewerbsfähigkeit. In ihrer Bewertung legte die Jury besonderen Wert auf die Relevanz der
vorgeschlagenen Mission zur Themenstellung und ihrer Konkurrenzfähigkeit zu anderen, gegebenen wissenschaftlichen
Vorhaben. Ein weiteres, wichtiges Kriterium der Beurteilung waren Details im Missions-Management und dem
Satellitendesign. Allen Projektstudien stellte die Jury ein hervorragendes Zeugnis aus und zeigte sich beeindruckt von
den Leistungen der Studentinnen und Studenten in der kurzen Zeit von 10 Tagen, ihrem Einsatz und ihrer Motivation.
Der Alpbach 2009 Oskar in der Kategorie „Best Scientific Case“ ging an das rote Team, jener in der Kategorie „Best
Technical Case“ an das orange Team, der Oskar für die wettbewerbsfähigste Mission wurde an das grüne Team verliehen,
das Team Orange wurde mit einem Oskar für die beste Präsentation ausgezeichnet. Zusätzlich wurde ein spezieller
„Tutoren Oskar“ an das Blaue Team verliehen, und der Präsident der Jury widmete dem roten Team einen eigenen Award.
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Profitiert haben letztlich alle: die Studenten, weil sie 10 Tage lang die Gelegenheit hatten, Einblicke in aktuelle
Weltraumforschung und die Planung von Satellitenmissionen in einem internationalen Team zu erhalten sowie
intensiven Kontakt mit internationalen Spitzenforschern zu pflegen; die Vortragenden, Tutoren und Experten, weil sie mit
frischen Visionen und Fragen konfrontiert wurden – Fragen, die teilweise ihrerseits selbst erst zu lösen waren, und
Visionen, die ohne weiteres in wirkliche Weltraummissionen einfließen könnten.
Gelernt haben die Studentinnen und Studenten vor allem, anhand einer vorgegebenen Problemstellung unter Zeitdruck
die Strukturierung einer komplexen Projektarbeit zu üben. Ein wichtiger Aspekt der Sommerschule Alpbach ist es, ein
Gefühl für Teamwork in einer Gruppe von Teilnehmern unterschiedlichster Nationalität, Qualifikation und Charakter zu
vermitteln – eine Fähigkeit, die für die Arbeit in europäischen Projekten unabdingbar ist.
Ein Novum in der langjährigen Geschichte der Sommerschule Alpbach
Interessierte AbsolventInnen erhalten von der FFG und der ESA heuer erstmals die Möglichkeit, eine der in Alpbach
vorgeschlagenen Missionen im Rahmen eines speziellen Workshop vom 24.-27. November am Institut für
Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften weiterzuentwickeln und im Anschluss daran bei
einem Stratgischen Workshop der European Science Foundation (ESF) über "Observation, characterization and evolution
of
habitable
exoplanets
and
their
host
stars"
zu
präsentieren
und
zu
publizieren.
Sommerschule Alpbach: Kreativpotenzial für Forschung und Industrie
Ein Rückblick auf mittlerweile 33 Alpbach Sommerschulen zeigt die wachsende Bedeutung derartiger Veranstaltungen für
Wissenschaft, Forschung und Industrie. Die jungen Forscher gehen „unverbraucht“ und oftmals unkonventionell an die
Lösung schwieriger Aufgaben heran. Vielleicht sind einige der präsentierten Vorschläge noch nicht ausgereift, stecken
aber voller neuer Ideen. Einige dieser Ideen könnten sich in Zukunft durchaus in realen Projekten und Missionen der ESA
und nationaler Raumfahrtorganisationen widerspiegeln.
Aber nicht nur die Ideen sind gefragt. Jeder Teilnehmer erhält zum Abschluss der jeweiligen Sommerschule eine
Teilnahmebescheinigung, die bei Bewerbungen in Forschung und Industrie des jeweiligen Heimatlandes, aber auch bei
der ESA schon so manche Tür geöffnet hat. Und für den beruflichen Erfolg früherer Teilnehmer spricht, dass jedes Jahr
mehr ehemalige SommerschülerInnen selbst als Vortragende und Tutoren nach Alpbach zurückkehren.
Die Studentinnen und Studenten 2009 setzten somit die Tradition der seit 1975 stattfindenden Sommerschulen in
Alpbach fort. Die Veranstaltung hat sich zu einer Weltraumfortbildungsstätte mit international anerkanntem Ruf
entwickelt und zeigt jedes Jahr erneut, dass auch ein „kleines“ Mitgliedsland der ESA Grosses für die europäische
Nachwuchsförderung leisten kann. Die Sommerschule Alpbach ist bzw. war für ihre mittlerweile mehr als 2000
Absolventen sicher ein wichtiger Schritt auf ihrem Weg in die Raumfahrt. Mittlerweile hat eine große Anzahl von
Mitarbeitern in der ESA, der europäischen Weltraumindustrie und –forschung, den Grundstein für ihre weitere Karriere
während einer Sommerschule Alpbach gelegt.
Weitere Auskünfte erteilt:
Michaela Gitsch
FFG/Agentur für Luft- und Raumfahrt
Sensengasse 1
A - 1090 Wien
Tel. + 43(0)57755 3302,
Fax + 43(0)57755 93302
E-Mail: [email protected]
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