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Erneuerbare Energien
Um Sonnenlicht in elektrischen Strom umzuwandeln, gibt es im Wesentlichen zwei verschiedene Wege: Photovoltaik und Solarthermie.
Forschung – gefördert vom BMBF
Mit dem Instrument HIRES am Extremely Large Telescope wollen Astronomen künftig Lebensspuren in der Atmosphäre von fernen Exoplaneten aufspüren.
Mit IceCube lassen sich nicht nur hochenergetische Neutrinos aus dem Weltall aufspüren, auch über die Elementarteilchen selbst liefert der Detektor wertvolle Erkenntnisse.
Im Projekt NOVA entsteht eine Onlineplattform, auf der Forscher ihre Messdaten – dreidimensionale Modelle von Insekten – gemeinsam nutzen können.
Wettbewerbe
Das deutsche und das internationale Young Physicists' Tournament sind Teamwettbewerbe für Schüler, die jedes Jahr ausgetragen werden.
Um einen extrem seltenen Teilchenzerfall aufzuspüren, wollen Wissenschaftler das Experiment GERDA unter dem Gran-Sasso-Massiv in Italien erweitern.
MICADO – eine leistungsstarke Kamera am Extremely Large Telescope – soll noch nie beobachtete Details des Universums enthüllen.
An der Neutronenquelle HFR im französischen Grenoble erforschen Wissenschaftler weiche Materie, die in Biologie und Medizin eine wichtige Rolle spielt.
Um die Wirkweise von bestimmten Viren besser zu verstehen, untersuchen Forscher diese mit dem weltweit stärksten Röntgenlaser – dem European XFEL.
Mit dem Spektrometer MINIBALL untersuchen Physiker die Struktur und Dynamik von Atomkernen, die auf der Erde nicht natürlich vorkommen.
Technik
Energie bietet die Natur genug, man muss sie nur nutzbar machen: Aus Sonne, Wind und Wasser, aus fossilen Brennstoffen, aus den Kernen der Atome. Die Physik liefert die Methoden dazu.
Erde
Die Meteorologie ist die Naturwissenschaft von der Erdatmosphäre. Im engeren Sinne ist sie die Physik und die Chemie der Atmosphäre.
Berufe in der Physik
Sonja Schuh ist Assistentin am Institut für Astrophysik in Göttingen. Als Astrophysikerin ist sie in Forschung und Lehre tätig.
Teilchen
Mit dem Neutrinoexperiment SNO+ lassen sich die Eigenschaften von Neutrinos studieren. Mehr zur Neutrinophysik und zum Experiment SNO+ im zweiten Teil.
2002 konnten Forscher erstmals nachweisen, dass Elektronneutrinos von der Sonne als andere Neutrinotypen auf der Erde ankommen.
Atome, Elektronen und andere Quantenteilchen verhalten sich grundlegend anders als wir es aus unserem Alltag kennen. Sie besitzen sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften.
Der vierte Aggregatzustand wird allgemein als Plasma bezeichnet. Plasmen können sehr unterschiedlich beschaffen sein und geben teilweise noch Rätsel auf.
Wie entstanden die Bestandteile der Materie? Wodurch entsteht die Masse der Teilchen – oder warum sind Protonen und Neutronen schwerer als ihre Bestandteile?
Beim internationalen Linearcollider soll supraleitende Technologie eingesetzt werden, sie hat entscheidende Vorteile gegenüber der normalleitenden Variante.
Das Standard-Modell, die rund dreißig Jahre alte Sammlung der Erkenntnisse über die Teilchenwelt galt lange als ungeschlagen. Aber ein Teilchen ist flüchtig.
Die Prozesse zur Entstehung der Elemente werfen noch immer einige Fragen auf. Zur Beantwortung sind bei FAIR Experimente mit Strahlen radioaktiver Teilchen geplant.
Das Handwerkszeug moderner Kernphysiker ist keine graue Theorie: Quarks und Gluonen haben eine Eigenschaft, die die Forscher „Farbe“ nennen.
In einem Laser marschieren die Photonen der elektromagnetischen Strahlung quasi im Gleichschritt. Kann man auch Atome dazu bewegen, im Gleichschritt zu marschieren und so eine Art Laser für Atome bauen?
Wissenschaftler erforschen mit der „Bose-Einstein-Kondensation“ ultrakalte Gaswolken, deren Atome den gleichen „Quantenzustand“ besetzen.
Universum
Seit rund 25 Jahren suchen Physiker nach einem hypothetischen Teilchen – dem Axion. Es könnte ein fundamentales Problem der Elementarteilchenphysik lösen.
Wie man die ganze materielle Welt auf 92 Grundbausteine zurückgeführt hat, ist eines der spannendsten Kapitel in der Geschichte der Wissenschaft.
Das Weltraumobservatorium Herschel wird neue Beobachtungen im Fern-Infrarot-Bereich ermöglichen und die Strahlung von interstellaren Staub- und Gaswolken vermessen.
Die potentielle Energiequelle Kernfusion findet nur in einem ultraheißen Plasma statt – extrem starke Magnetfelder sind nötig, um dieses Plasma zu bändigen.
Wenn ein intensiver Laserstrahl auf Materie trifft, kann er diese in ein Plasma verwandeln. Laserplasmen können sogar als Teilchenbeschleuniger dienen.
Seit hundert Jahren versuchen Forscher, mithilfe der kosmischen Strahlung etwas über die Strukturen der Materie im Kleinen und des Universums im Großen zu erfahren.
Für Einstein war die chaotische Bewegung von Elektronen in Atomen ein Argument gegen das Quantenmodell der Elektronenhüllen. Doch hier irrte Einstein.
Die Quantentheorie behauptet, dass der Zustand mikroskopischer Objekte vor einer Messung nicht nur nicht bekannt, sondern völlig unbestimmt ist.
Die kosmische Hintergrundstrahlung ist ein Überrest aus der Zeit des Urknalls. Mit dem Satelliten COBE haben Wissenschaftler sie erstmals vermessen.
Ein internationales Forscherteam am Max-Planck-Institut für Quantenoptik hat zum ersten Mal Elektronen beobachetet, die aus einem Atom „heraustunneln“.
Jede Sekunde rasen unzählige kosmische Neutrinos durch die Erde – nahezu ungehindert. Ihre Detektion ist eine mühsame, aber viel versprechende Aufgabe.
Woher kommen wir? Wohin gehen wir? Wie ist der Kosmos beschaffen? Diese Fragen beschäftigen die Menschen seit Jahrtausenden.
Die klassische Astronomie nutzte nur sichtbares Licht von Himmelskörpern. Mittlerweile sind Beobachtungen von vielen Spektralbereichen und kosmischen Teilchen Routine.
Das Bild vom Aufbau der Materie von Demokrit (460–371 v. Chr.) bis Bohr (1885–1962)
Am Hochfeldmagnetlabor in Grenoble entdeckten Physiker 1980 den Quanten-Hall-Effekt. Fünf Jahre später erhielt Klaus von Klitzing dafür den Nobelpreis für Physik.
Materie
Stellten die bisher bekannten Hochtemperatursupraleiter ein großes Rätsel der Festkörperphysik dar, so wirft eine neue Klasse von eisenhaltigen Supraleitern noch weitere Fragen auf.
Mit ausgeklügelten mathematischen und technischen Methoden gelingt es, immer schärfere Einblicke in Kristallstrukturen zu erhalten.
Eine der erfolgreichsten Methoden, um einzelne Teilchen zu manipulieren, beruht auf der Kombination von elektromagnetischen Fallen und Laserkühlung.
Nach Jahren in den USA kam der Physiker Bjørn Wiik 1971 mit der Idee nach Deutschland, ein überdimensionales Elektronenmikroskop für Protonen zu bauen.
Neutronen sind eine außergewöhnliche Sonde, mit der kondensierte Materie untersucht werden kann.
Nano-Optik umfasst optische Methoden, mit denen sich einzelne Nanoteilchen und Nanostrukturen herstellen, untersuchen und manipulieren lassen.
Gerd Fußmann vom Max-Planckinstitut für Plasmaphysik und der Berliner Humboldt-Universität erzeugt in seinem Labor Plasmabälle, die bei der Erklärung von Kugelblitzen helfen könnten.
Das Prinzip eines Rasterkraftmikroskops ist denkbar einfach. Im einfachsten Fall liegt die Sonde auf der Probe wie die Nadel eines Schallplattenspielers auf einer Schallplatte.
Die Entdeckung von winzigen Schwarzen Löchern in Extra-Raumdimensionen wäre eine wissenschaftliche Sensation und würde unser Weltbild revolutionieren.
Ganz ähnlich wie Teppiche lassen sich auch hauchdünne Materialschichten aufrollen – und die so entstehenden Nanoröhrchen führen zu neuen technischen Anwendungen.
Ultrakalte Gaswolken, deren Atome den gleichen „Quantenzustand“ besetzen, sogenannte Bose-Einstein-Kondensate, könnten die Entwicklung völlig neuer Technologien anstoßen.
Mithilfe kurzwelliger Elektronenstrahlen können die Wissenschaftler direkt verfolgen, was in Kristallgittern beim Abkühlen oder Erhitzen, Stauchen oder Dehnen einer Materialprobe vor sich geht.
Licht verhält sich im sogenannten Nahfeld einer Lichtquelle anders als im Fernfeld, welches wir ausschließlich wahrnehmen
Die in der Natur und im Labor zugänglichen Temperaturen reichen von einer Milliarde Grad im Zentrum der heißesten Sterne herad bis zu zwei Millionstel Kelvin.
Forschern ist es gelungen, konventionelle organische Moleküle und leitfähige Polymere zu Materialien aus winzigen Nanozylindern zu vereinen.
Die Untersuchung einer neuen Klasse von Hochtemperatursupraleitern mit Synchrotronstrahlung bei hohen Drücken bestätigt die theoretischen Vorhersagen.
Viele Aspekte der starken Kraft sind bereits erforscht – aber viele Fragen bleiben: zum Beispiel die nach der Art des Zusammenhalts der Quarks in den Kernbausteinen.
Bei der Spin-Elektronik sollen nicht nur die elektrische Ladung, sondern auch die Eigenrotation (Spin) von Elektronen und Atomkernen zur Verarbeitung und Kodierung von Informationen verwendet werden.
Wie sieht der Zollstock der Astronomen aus für Entfernungen innerhalb unserer Galaxie aus?
Selbst im Teleskop erscheinen Sterne nur als Lichtpunkte. Woher wissen die Astronomen also eigentlich, wie groß Sterne sind?
Aufgrund der in Ferromagneten vorhandenen „Austauschwechselwirkung“ unterscheidet sich die Energie von Elektronen mit verschiedenen Spin-Richtungen.
Carola Meyer sperrt Spins in Käfige aus Kohlenstoff-Molekülen und ist von der männlichen Übermacht in der Quantenphysik nicht zu beeindrucken.
Noch ist unser blauer Planet etwas Besonderes. Doch die Erde könnte ihren Sonderstatus schon bald verlieren, denn immer mehr Explaneten werden entdeckt.
Wie misst man die riesigen Entfernungen zu anderen Galaxien und ihren Sternen?
Die Spintronik verheißt die Grenzen der herkömmlichen Halbleitertechnologie zu übertreffen. In Zukunft könnten Spinwellen-Solitonen die Daten im Computer superschnell übertragen.
Die Masse entscheidet – so einfach lässt sich die Entwicklung der Sterne charakterisieren. Was wann und wie aus einem Stern wird, hängt letztlich von seiner Masse ab.
Das Weltraumteleskop Kepler soll die Suche nach Planeten bei anderen Sternen revolutionieren – und erstmals erdähnliche Planeten in großer Zahl aufspüren.
Die Datenspeicherung verlangt nach immer kleineren magnetischen Strukturen. Doch es reicht nicht, herkömmliche Technik einfach auf einen kleineren Maßstab zu übertragen.
Manche Sterne haben mehr als hundertmal soviel Masse wie die Sonne. Bisher ist völlig unklar, wie Sterne überhaupt so massereich werden können.
Leben
Die Biophysik bildet die Brücke zwischen der Physik und den Lebenswissenschaften. Sie ist eng mit der Physik Weicher Materie und Komplexer Systeme verknüpft.
Metalle lassen sich mit vielfältigen Methoden bearbeiten, doch fehlt es bisher an Methoden, sie zuverlässig und in vertretbarer Rechenzeit im Computer nachzubilden.
Am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf werden zwei Freie-Elektronen-Laser für den nahen und fernen Infrarotbereich betrieben.
Logistiker arbeiten mit ausgeklügelten Verteilnetzen. In Zukunft können GPS-Technik, Funkchips und vielleicht ein unterirdisches Rohrpostsystem den Lieferverkehr noch effizienter machen.
„Invar“, das Invariable, Unveränderliche, eine Eisenlegierung mit 36 Prozent Nickel, verändert seine Länge nicht oder doch kaum, wenn die Temperatur schwankt. Andere Legierungen haben ein „Gedächtnis“ …
Theoretische Berechnungen zeigen, wie das Wechselspiel zwischen einer Brücke und ihren Besuchern bei der Millenniumsbrücke in London zu gefährlichen Schwingungen geführt hat.
1995 gelang es erstmals, Atome aus Antimaterie zu beobachten. Antiwasserstoffatome sind bestens geeignet, um die Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie aufzuspüren.
Physik und Biologie haben gemeinsame Wurzeln und haben sich oft gegenseitig inspiriert.
Brownsche Motoren können sich gezielt in eine Richtung bewegen, indem sie die ungerichtete und zufällige thermische Zitterbewegung in warmen Umgebungen nutzen.
Mit dem Auge sind die winzigen Partikel, nach denen die Teilchenphysik sucht, nicht sichtbar. Erst die haushohen Detektoren erlauben es, das Unsichtbare sichtbar zu machen.
Anhand von Streuversuchen untersuchen Physiker, wie ein Probenteilchen aussieht. Dabei wird ein Teilchen, das als Sonde fungiert, an der zu untersuchenden Probe gestreut.
Bei hohem Druck und hohen Temperaturen kommt es zu einer unerwarteten Änderung der Elektronenstruktur bei zweiwertigem Eisen im Inneren der Erde.
Untersuchungen am Freie-Elektronen-Laser FLASH zeigen, dass bisherige Modellrechnungen für die Wechselwirkung von Molekülen mit energiereicher Strahlung unvollständig sind.
Mittels Synchrotronstrahlung im Röntgenbereich untersuchen Forscher neue Schweißmethoden für den Flugzeugbau. Das Ziel sind leichtere Flugzeuge mit weniger Treibstoffverbrauch.
Mehrere Strategien haben sich in der Schwerionenbestrahlung ausgebildet. Die klinischen Ergebnisse in der kurzen Geschichte stützen die Therapieform als solche.
Inhomogene Verteilungen, Nichtlinearität und andere unregelmäßige Faktoren muss das Rechenmodell der Bestrahlungsplanung berücksichtigen.
Ein Großprojekt wie den European XFEL baut man nicht, ohne die Technologie zuvor auf Herz und Nieren geprüft zu haben.
Röntgenstrahlung eignet sich sowohl als Werkzeug bei der Herstellung von immer kleineren Strukturen als auch als Sonde für Strukturuntersuchungen.
Nur wer die exakte Position des Tumors kennt, trifft bei der Bestrahlung nicht das gesunde Gewebe. Erstmals lässt sich der Strahl selbst auch in vivo beobachten.
Das Hochfeld-Magnetlabor stellt sehr hohe gepulste Magnetfelder mit der nötigen experimentellen Infrastruktur zur Verfügung.
Harald Lesch forscht und lehrt in der Astrophysik. Außerdem ist er der Wissenschaftler von „Alpha Centauri“, der Wissenschaftssendung im Bayerischen Rundfunk.
Am 7. Februar 2008 wurde das europäische Weltraumlabor Columbus zur Internationalen Raumstation gebracht, in dem Experimente unter Mikrogravitation durchgeführt werden.
Die Biologie spielt in der Bestrahlungstherapie eine ebenso wichtige Rolle wie die Physik. Letztendlich zählt die relative biologische Wirksamkeit der Behandlung.
Liegt der Tumor in Lungennähe, lässt er sich nicht fixieren. Das Rasterscanverfahren muss und kann die Atembewegung mit einkalkulieren.
Ein im Mai 2011 eröffnetes Forschungslabor in der Schweiz schirmt Erschütterungen, elektromagnetische Felder und Lärm hocheffizient ab.
Die physikalischen Grundlagen der Wechselwirkung der Ionen mit Gewebe sorgt für den entscheidenden Vorteil gegenüber herkömmlicher Bestrahlungstechnik.
Die TV-Röhre arbeitet nach dem selben Prinzip wie die Teilchentherapie, allerdings arbeitet die Ionenbestrahlung auch fein abgestuft im Dreidimensionalen.
Es ist nicht einfach, in einen laufenden Motor zu schauen, da jedes Fenster das Betriebsverhalten ändert. Doch ein Neutronenstrahl ermöglicht einzigartige Bilder.
Hartmut Eigenbrod ist Gruppenleiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart.
Über seinen bisherigen Werdegang in Neuseeland berichtet der deutsche Auswanderer Ulrich Speidel.
18 europäische Staaten tragen die ESRF gemeinsam und sichern ihren Forschern damit den Zugang zu einer der drei stärksten Quellen für Synchrotronstrahlung auf der Welt.
Noch vor wenigen Jahren waren es teure Geräte, heute kann es sich jedermann leisten: ein Global Positioning System, kurz GPS. Doch wie funktioniert dieses Ortungssystem?
Quelle: https://www.weltderphysik.de/service/suche/
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