Braucht CERN wirklich eine Riesenschleuder ?

In den letzten Jahren ist es vergleichsweise still geworden um das Forschungszentrum CERN bei Genf. Die letzte , weltweit registrierte Hurra-Meldung, ist schon sieben Jahre her, als 2012 der experimentelle Nachweis für das sogenannte Higgs-Teilchen gelang. Die beiden Theoretiker Peter Higgs (Schottland) und Francois Englert (Belgien) hatten dieses Kernteilchen schon Jahrzehnte vorher postuliert, aber erst mit dem damals weltweit leistungsfähigsten Beschleuniger LHC (= Large Hadron Collider) konnte es nachgewiesen werden, was den beiden Forschern 2013 den Nobelpreis für Physik einbrachte. Seitdem gab es keinen Anlass mehr für Champagnerparties mit der Marke Veuve Cliquot.

Fragt man die Experten in Genf, so ist die Ursache für diese forscherische Flaute die zu geringe Leistung des Kreisbeschleunigers  LHC. Kein Wunder, dass man bei Cern inzwischen an einem noch größeren Protonenbeschleuniger plant. Der LHC soll - samt einem upgrade - zwar noch 20 Jahre im Betrieb bleiben, aber inzwischen soll an seiner Seite die Riesenmaschine FCC (= Future Circular Collider) entstehen. Im französisch-schweizerischen Grenzgebiet soll ein 100 Kilometer langer Tunnel mit entsprechend starken Magneten ausgestattet werden. Zum Vergleich: der bestehende Teilchenbeschleuniger LHC besitzt "nur" einen 27 km langen Tunnel. Ersten Planungen zufolge wäre der FCC bis zu 100.000 mal leistungsfähiger als bisherige Anlagen am Cern. Der geringe Krümmungsradius des FCC hat den Vorteil, dass viel höhere Strahlgeschwindigkeiten  erreicht werden - ohne befürchten zu müssen, dass die Kernteilchen zur Seite davonfliegen. Der Beschleuniger FCC soll in den fünfziger Jahren in Betrieb gehen und (voraussichtlich) 25 Milliarden kosten. Deutschland wäre mit ca. 20 Prozent unter den Financiers.


Ziele und Konkurrenten

Das Ziel der Experimente am FCC ist - ganz allgemein gesprochen - Licht in das Dunkle Universum zu bringen. Etwa 95 Prozent des Kosmos bestehen aus Dunkler Materie (zu ca 25 %) und Dunkler Energie (ca. 70 %). Zahlreiche Forscherteams haben nach Teilchen und Feldern gesucht, aus denen sie bestehen könnten - ohne Erfolg. Die Dunkle Materie (DM) bewirkt den Zusammenhalt der Galaxien, die Dunkle Energie (DE) sorgt für die Expansion des Kosmos.

Das Arsenal der Beschleuniger am CERN

Ein wichtiges Modellkonzept der Theoretischen Physik ist die Supersymmetrie (SUSY). Dabei werden Teilchen mit ganzzahligen Spin (Bosonen) und solche mit halbzahligen (Fermionen) ineinander umgewandelt. Allerdings konnte bislang nicht der Nachweis erbracht werden, dass diese Supersymmetrie in der Natur tatsächlich existiert. Insbesondere wurden noch keine Superpartner bekannter Teilchen beobachtet. Seit fast 50 Jahren wird diese Theorie sowie die mit ihr verwandte Stringtheorie von klugen theoretischen Physikern beackert - ohne Erfolg. Auch hier soll der FCC experimentelle Ergebnisse - womöglich neue Kernteilchen - liefern.

Das Projekt FCC hat Konkurrenz in China und Japan. Chinas Super-Mathematiker Yau, der im Land großen Einfluss besitzt. steht an der Spitze der Promotoren. "Von der Großen Mauer zum Großen Beschleuniger" lautet der Titel des Buches, in dem er seine Visionen der Öffentlichkeit präsentiert. Die Politiker, welche in China allein die Entscheidungen treffen, halten sich bisher noch bedeckt. ---
Auch in Japan gibt es Pläne für einen (linearen) Teilchenbeschleuniger, der unter dem Namen CLIC bekannt ist. Als Standortland müsste Japan den Großteil der Baukosten selbst übernehmen, was seine Nutzung für Ausländer billiger macht. Deutschland hat bereits sein Interesse bekundet und somit den FCC an die zweite Stelle gerückt. Ist es nur Poker oder eine wirkliche Strategie, das vermag derzeit niemand zu sagen.


Kritik:  Erst Higgs, dann nix?

Bei Cern sonnen sich immer noch viele im Erfolg der Higgs-Versuche vor sieben Jahren, als man mit dem umgebauten Beschleuniger LHC eine Punktlandung erzielte: Erst identifizierte man das  Higgs-Boson und bereits ein Jahr später kam der Nobelpreis aus Stockholm. Aber nicht wenige altgediente Physiker warnen vor solcher Euphorie in der jetzigen Situation, indem sie sagen: "Wir können nicht erwarten, dass die Natur uns solche Schätze, wie das Higgs, wie reife Äpfel in den Schoß legt. Trotz der viel höheren Kollisionsenergie beim FCC könnte in den avisierten Energiebereich nichts zu finden sein, weil die Versuchsparameter möglicherweise nicht genügend angepasst sind". Dann hieße es also: "Erst Higgs, dann nix" und eine Generation von Astrophysikern würde vergeblich auf den nächsten Nobelpreis warten.

Die Situation beim Higgs-Teilchen und den gegenwärtig gesuchten SUSY-Teilchen in der DM unterscheiden sich nämlich dramatisch. Higgs war gewissermaßen eine "win-win-Situation". Das Boson war seit 50 Jahren bekannt und durch die theoretischen Physiker Higgs und Englert hinreichend spezifiziert. Der Beschleuniger LHC konnte auf die Eigenschaften des Higgs-Teilchen optimiert werden. Wäre das Teilchen nicht gefunden worden, dann hätte das Standardmodell zur Diskussion gestanden und damit für neue, interessante Aufgaben gesorgt. Ein solches "no-lose-theorem"  gibt es bei SUSY nicht. Es kann dort durchaus die Situation eintreten, dass man an der vollkommen falschen Stelle sucht und nichts findet, vielleicht weil Beschleuniger und Detektoren dies verhindern.

Es gibt schon ExpertInnen, die in der Investition für den FCC ein "25-Milliarden-Euro-Grab" sehen. Eine solche Wissenschaftlerin ist die theoretische Physikern Sabine Hossenfelder am Frankfurter Institute for  Advanced Studies. Sie wirft die Frage auf, ob es nicht sinnvoller wäre, das Projekt FCC in Gänze aufzugeben und das Geld in andere Forschungsgeräte zu investieren, die mehr Erkenntnisse erwarten lassen und billiger sind. Sabine hat sogar ein Buch darüber geschrieben mit dem provokanten Titel "Das hässliche Universum", worin sie zu der apodiktischen Feststellung gelangt: "Der FCC ist die 25 Milliarden Euro nicht wert". Kein Wunder, dass solche Empfehlungen in Genf nicht gut ankommen, wo  die Nerven blank liegen. Jemand schrieb ihr (anonym) einen derben Brief zurück, der mit der Aufforderung endete:

"Fuck you"

Marsreise gefällig? - one way oder retour?

Es ist schon mehr als ein halbes Jahrhundert her, dass der junge US-Präsident John F. Kennedy die Wissenschaftler und Techniker seines Landes zur Erkundung des Mondes aufrief. Und nur neun Jahre später, am 21. Juli 1969, war es geschafft: Neil Armstrong setzte als erster Mensch seinen Fuß auf unseren Erdtrabanten. Danach ist die amerikanische Weltraumagentur NASA in eine Art verlängerten Winterschlaf gefallen. Außer den Rundreisen der ISS-Raumfähre um die Erde hat sich raumfahrerisch wenig getan. Geradezu eine Lethargie breitete sich während der eben zu Ende gegangenen 8-jährigen Präsidentschaft von Barack Obama aus. Er war für Weltraumabenteuer nicht zu haben und sein NASA-Chef Charles Bolden (obschon selbst ehemaliger Astronaut) unterstützte ihn dabei nach Kräften.

Es war der Präsident George W. Bush, welcher es Kennedy gleich tun wollte und im Jahr 2004 das sogenannte Constellation Programm auflegte. Mit Ares-Raketen wollte die NASA unter ihrem Chef Sean O´Keefe den Mars ansteuern. Aber der unsinnige Krieg im Irak verbrauchte alle Ressourcen des Landes und die ehrgeizigen Pläne konnten nicht realisiert werden. Bemannte Flüge zum Mars waren zu teuer, stattdessen ließ man einige Sonden auf diesen Planeten landen und untersuchte seine Oberfläche mit den autoähnlichen Rover-Fahrzeugen.

One way:  Harakiri!

Die zeitliche Lücke, welche sich nun durch das "Nichtstun" der staatlichen Weltraumorganisationen NASA (und der europäischen) ESA auftut, wollen zwei geschäftstüchtige Holländer für ihre eigenen Unternehmungen nutzen. Im Rahmen der Privatstiftung "Mars one" beabsichtigen Bas Lansdorp und Arno Wilders eine Serie von kommerziellen Flügen zum Mars durchzuführen, um dort eine Kolonie für die Menschheit einzurichten. Die ersten vier "Siedler" sollen im Jahr 2024 zum Mars aufbrechen und 2025 dort landen. Sechs unbemannte Vorläufermissionen werden vorher auf dem Mars Lebensmittel und Bauteile abwerfen, woraus die Siedler bei ihrer Landung Treibhäuser etc. zusammen sollen. Durch den Anbau von Pflanzen hofft man genügend Nahrung und Sauerstoff für die "Astronauten" erzeugen zu können, sodass diese dort oben existieren können. Eine Rückreise ist vor der Hand nicht geplant. Sie würde die Mission nämlich um den Faktor drei verteuern.

Wer glauben sollte, dass sich keine Kandidaten für einen "einfachen" Flug zum Mars finden lassen, der irrt gewaltig. Fakt ist, dass sich jetzt bereits 200.000 Personen beworben haben, wovon 700 ausgewählt wurden. Inzwischen hat man diese Zahl auf 40 reduziert, woraus sich die 24 Mars-Siedler rekrutieren sollen. Der ehemalige deutsche Raumfahren Ulrich Walter hat mit einigen dieser Mars-one-Bewerber gesprochen. Dabei gewann er den Eindruck, dass diese Abenteurer nicht einen Funken Ahnung davon haben, was sie dort oben an Problemen erwarten wird. Stattdessen waren die Allermeisten geradezu besessen von dem Wahn, als erste Kolonisten auf dem Mars ins Guiness-Buch der Rekorde einzugehen. Die vielfältigen technischen Risiken dieser Höllenfahrt werden total ausgeblendet.

Die Kosten für die Mars-one-Mission liegen bei 400 Millionen Dollar pro Jahr. Die Finanzierung soll durch Übertragungsrechte und Werbeeinnahmen von Fernsehstationen geschehen. Für die holländischen Unternehmer könnte dies durchaus zu einem lukrativen Geschäft werden. Viele TV-Stationen weltweit würden daraus ein Show-Format ähnlich wie "Dschungel-Camp" oder "Big Brother" machen. Und wenn den ersten Siedlern die "Luft ausgehen" würde, dann erst recht. Gerade der Moment, da die Menschen auf dem Mars mit dem Tode ringen, würde vermutlich zu gigantischen Einschaltquoten und damit zu riesigen Gewinnen führen. Die Gladiatorenkämpfe im römischen Kolosseum wären, damit verglichen, nur ein matter Abglanz.

Retour: schwierig und teuer!

Die NASA plant seriöser und veranschlagt für ihre erste Fahrt zum Mars eine Reisezeit von 200 Tagen. Anschließend müssen die Astronauten 520 Tage auf diesem Planeten verbringen, bis Mars und Erde wieder in der richtigen planetarischen Konstellation stehen und die Rückreise möglich ist, welche ebenfalls 200 Tage dauern wird. Eine Marsfahrt - hin und retour - erstreckt sich also über ca. 920 Tage, entsprechend 2,5 Jahre. Der heikelste Teil einer bemannten Marsmission ist sicherlich der Abstieg auf die Marsoberfläche. Der kürzliche Absturz der ESA-Sonde "Schiaparelli" auf Grund eines Programmierfehlers hat dies wiederum vor Augen geführt. Die Flugbahn zum Mars und zurück entspricht einer sogenannten "Hohmann-Kurve", die hinsichtlich Energieverbrauch optimiert ist.

Grafische Darstellung der Hohmann-Kurve für Reisen zum Mars und zurück

Unproblematisch sind hingegen die (in Hollywoodfilmen oft als gefährlich dargestellten) Sandstürme. Sie lassen höchstens ein Blatt Papier leicht flattern, denn der atmosphärische Druck auf dem Mars beträgt weniger als ein Hundertstel des irdischen Luftdrucks. Wahrscheinlich würde ein Astronaut auf dem Mars den Druck eines Sandsturms gerade mal leicht spüren. Sorge bereitet allerdings der überall vorhandene Mars-Staub. Er gilt als einer der Hauptfeinde auf Mars und Mond. Fein wie Schmirgelpapier scheuert er selbst Raumanzüge langsam durch.

Zu den gefährlichsten Momenten bei einer Marsexkursion gehört die Rückkehr zur Mutter Erde. Die Raumkapsel hat bei der Annäherung an die Erdatmosphäre eine Geschwindigkeit von ca. 50.000 Stundenkilometern. Der Winkel beim Eintritt in den oberen Luftbereich sollte nahe bei 6,5 Grad liegen. Ist er größer, dann verglüht die Kapsel infolge der starken Reibung; bei einem kleineren Eintrittswinkel wird die Fähre - ähnlich wie ein flacher Stein beim Wurf über eine Wasseroberfläche - wieder in den Raum geschleudert, möglicherweise bis zum Mond. Beim sogenannten Re-entry-Akt brauchen die Astronauten also starke Nerven und der Pilot großes Geschick.

Wann findet nun die erste Raumexpedition statt? Dafür müssen Erde und Mars in einer bestimmten planetarischen Konstellation stehen, damit die Reise über 200 Tage optimal kurz ist. Der nächste, theoretisch mögliche, Zeitpunkt wäre bereits der 18. Mai 2018, der natürlich viel zu früh kommt. Es folgt der 30. April 2033; aber auch dieser Termin wird, wegen der vielen noch nötigen Voruntersuchungen bei der NASA nicht zu halten sein.
Meine jüngeren Blogleser sollten in ihrem Terminkalender den 11. April 2048 ankreuzen.
Da könnte es klappen.
Bon voyage!