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Puppen im Weltall: MINT-Fach Physik kann auch begeistern

Strahlen physik mint serie

Behutsam schraubt Thomas Berger eine rund zwei Zentimeter dicke Platte vom Kopf des Phantoms ab und legt sie vorsichtig auf den Tisch im Labor des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln-Porz. Die Puppe gehört zum „Matroshka"-Experiment, benannt nach der russischen Figur, die sich aus mehreren Schichten zusammensetzt. Ähnlich ist nämlich auch diese „Puppe" im DLR aufgebaut: Sie besteht aus 33 horizontal befestigten Schichten, in denen sich kleine Rillen befinden. In diese Rillen legt Berger nun kleine Plättchen.

Diese Kristalle messen im All die Strahlung. „Das sind sogenannte passive Strahlungsmesser", erklärt Berger. „Die Matroshka war anderthalb Jahre außerhalb der Raumstation stationiert. Ein Druckcontainer war um sie gelegt, der den Raumanzug simuliert hat." Die galaktisch-kosmischen Teilchen sausten dort auf die Matroshka und damit auf die Kristalle ein und hinterließen Spuren. Nachdem Astronauten das Experiment wieder zurück zur Erde gebracht hatten, analysierten Berger und sein Team diese Spuren.

Wie hoch ist die Strahlung auf dem Mars?

Was sich im ersten Moment anhört, als würde es aus einem Science-Fiction-Film stammen, ist Thomas Bergers tägliche Arbeit. Seine Aufgabe als Physiker beim DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin und als Leiter der Arbeitsgruppe Biophysik ist es in erster Linie, Strahlungsmessgeräte zu entwickeln und Fragen nachzugehen wie: Wie hoch ist die Strahlung auf der Internationalen Raumstation ISS oder auf dem Mond oder Mars? Woher kommt sie und wie verteilt sie sich im Körper?

Schon während seines Studiums und seiner Doktorarbeit an der Technischen Universität Wien hat sich der Österreicher mit ähnlichen Fragen beschäftigt. Bereits damals schickte er Experimente ins All, Ende der 1990er Jahre noch zur russischen Raumstation Mir, da die Österreicher mit den Kollegen aus Moskau eine Kooperation hatten. „Letztendlich hat diese Arbeit auch dazu geführt, dass ich zum DLR gekommen bin", sagt Berger heute. Er habe zwar nicht von Beginn seines Physik-Studiums an daraufhin gearbeitet, in diesem Fachgebiet zu landen, aber „es hat mich interessiert".

Eine „coole" Aufgabe

Außerdem: „Es ist durchaus witzig, wenn ich Leuten davon erzähle, dass ich Experimente auf der Raumstation mache. Für mich selbst ist ja ganz normal, das ich irgendwas raufschicke, dass irgendwann zurück kommt und meine Kollegen und ich das dann auswerten." Aber er weiß selbst, dass das schon ein besonderes Arbeitsgebiet ist. Letztendlich sei seine Aufgabe „cool", sagt Berger. „Es ist ein Job, den nicht so viele machen."

In der Raumfahrt gibt es jede Menge internationaler Kooperationen. So haben an einem der Experimente, bei denen das Team in kleinen orangefarbenen Paketen Kristalle zur Strahlungsmessung auf die ISS schickt, Teams aus Polen, Belgien, Österreich, Tschechien, Japan und den USA mitgearbeitet. Sie alle analysieren anschließend die Ergebnisse, weil sie unterschiedliche Erfahrungen und Erkenntnisse in Sachen Strahlung vorweisen. Die Community in diesem Forschungsbereich ist weltweit durchaus übersichtlich: Laut Berger arbeiten rund 200 Menschen an der Strahlungsmessung.

Einflüsse auf den Menschen im All

Dabei ist die Forschung ziemlich wichtig: Da die Strahlung im Weltraum und damit auch auf der Raumstation bis zu 400 Mal höher ist als auf der Erde, dürfen die Astronauten sich nicht unendlich lange im All aufhalten. Auf der Erde schützen das Erdmagnetfeld sowie die Atmosphäre die Menschen vor den Teilchen der kosmisch-galaktischen Strahlung. „Die Atmosphäre schützt wie eine zehn Meter hohe Wassersäule", veranschaulicht Berger die Kraft. „Die Hülle der Raumstation und das kaum noch spürbare Magnetfeld der Erde wirken auf der ISS dagegen nur wie 20 Zentimeter Wasser." Auf und rund um den Planeten Mars ist die Strahlung zum Beispiel wieder anders: „Dort gibt es zwar kein Magnetfeld, das die Strahlung dämpft, dafür aber eine Atmosphäre", sagt Berger. All diese Puzzleteile sind für die Weltraumforschung wichtig, um zu analysieren, welche Einflüsse auf den Menschen im All wirken.

Zu wissen, wie sich Strahlung auf den Körper auswirkt, ist dabei essenziell. „Seit den Vorfällen in Hiroshima und Nagasaki wissen wir, wie gefährlich Strahlung ist und dass sie ab einer gewissen Dosis Krebs erzeugt", so Thomas Berger. Wenn Menschen auf der Erde mit Strahlung arbeiten, etwa im Krankenhaus in der Radiologie oder im Kernkraftwerk, müssen Grenzwerte eingehalten werden. Gleiches gilt auch für Astronauten. „Auf der Erde bekommt ein Durchschnittsmensch zwischen zwei und vier Millisievert pro Jahr ab", sagt Berger. Die Einheit beschreibt die biologische Wirksamkeit der Strahlen. „Auf der Raumstation prallt hingegen bis zu einem Millisievert pro Tag auf die Astronauten ein." Die Astronauten dürfen sich darum im Rahmen ihrer Karriere nur so lange im Weltraum aufhalten wie die Grenzwerte es erlauben.

Physikalische Gegebenheiten umgeben uns jeden Tag

Wenn allerdings bei erhöhter Aktivität der Sonne mehr Strahlung entsteht - bei einem sogenannten solaren Teilchenereignis - kommt es in kurzer Zeit zu einer erhöhten Strahlungsdosis. „Die Astronauten sollten sich dann nur in bestimmten Bereichen der Raumstation aufhalten, die besser vor Strahlung geschützt sind", erklärt Berger. Ansonsten können sie die Strahlenkrankheit bekommen - das Blutbild verändert sich, Haare fallen aus, es kommt zu Erbrechen bis hin zu sich auflösenden Organen und letztendlich bei keiner weiteren medizinischen Versorgung dem Tod.

Thomas Berger und seine Kollegen im DLR beschäftigen sich mit Dingen, von denen die meisten Menschen kaum etwas wissen - oder sich überhaupt keine Gedanken darüber machen. Doch physikalische Gegebenheiten umgeben uns jeden Tag, ob es uns bewusst ist oder nicht. Um diesen Details auf den Grund zu gehen, hat sich Thomas Berger auch für das Physikstudium entschieden: Wie es in Goethes Faust so schön heißt: „Ich wollte wissen, was die Welt im Innersten zusammenhält." Im Studium, zwischen Kursen zu Mechanik, Relativitätstheorie und Quantenphysik sowie viel Mathematik, habe er sich für die Astrophysik begeistern können.

Viele seiner ehemaligen Kommilitonen sind am Ende gar nicht in der Forschung gelandet, sondern bei Banken oder Versicherungen. „Physiker können sich vielen Fragestellungen anpassen", sagt Berger. Das mache flexibel und viele Branchen suchen händeringend nach Experten, die gut mathematische Komplexe anwenden können. „Doch junge Leute sollen sich bloß nicht von der Mathematik abschrecken lassen", empfiehlt Berger. In der Physik lerne man nämlich, wozu man die Mathematik erst wirklich braucht: um Phänomene und Entwicklungen praktisch zu beschreiben.

Alles verstehen und wissen, warum etwas wie funktioniert

Heute beschäftigten sich viele junge Physiker mit Quantenphysik - da stecke viel Geld dahinter, sagt Berger. „Alle glauben, dass das die Zukunft der Computer ist: schneller rechnen und simulieren können und zu lernen, wie die grundlegenden Bauteile des Handys verändert werden können, um sie noch kleiner zu machen und sie gleichzeitig mit noch mehr Power zu versehen."

Aber auch Schnittstellen zur Biologie oder Chemie seien gefragt, um sich etwa Wissen aus der Natur für den Menschen zunutze zu machen. Die Produktion von Materialien, die nicht schmutzig werden können, sind nur ein Beispiel, das Berger nennt. Doch der Kern der Physik bleibt: Alles verstehen und wissen, warum etwas wie funktioniert - sogar im Weltall.

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