Experiment Dunkle Materie der Raumstation erhält wichtige Reparaturen



Das Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) hat in den letzten 8,5 Jahren von seinem Platz außerhalb der Internationalen Raumstation (ISS) aus geladene kosmische Strahlen gesammelt, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum bewegen. Im Gegensatz zu Partikeldetektoren auf der Erde ist AMS nicht an einen Beschleuniger gebunden, sondern untersucht seine Steinbrüche, wie sie im Vakuum des Weltraums existieren, und zwar unverfälscht durch Wechselwirkungen mit der Atmosphäre unseres Planeten. Das Experiment zielt darauf ab, einige der größten Probleme des Universums zu lösen, z. B. was die fehlende dunkle Materie ausmacht, die den Kosmos zu dominieren scheint, und warum sie mehr Materie als Antimaterie enthält.

Bisher hat AMS mehr als 145 Milliarden geladene kosmische Strahlen untersucht, was zu 16 wissenschaftlichen Arbeiten und einer Fülle von interessanten Fragen geführt hat. Ein Problem mit dem Kühlsystem des Experiments, das 2014 auftrat, drohte jedoch, die wissenschaftliche Arbeit abzubrechen. Die NASA entschied sich, die stockende Hardware während eines Quartetts komplizierter, komplizierter Weltraumspaziergänge oder extravehikulärer Aktivitäten (EVAs) zu ersetzen, die am 15. November begannen. Bei Erfolg sollte AMS in der Lage sein, Daten über Jahre hinweg zu erfassen und möglicherweise einige der rätselhaften Ergebnisse zu lösen es hat so weit gemacht.

Verlockende Geheimnisse

Eines der ersten Rätsel, die AMS aufdeckte, hatte mit den Energien der ankommenden Positronen zu tun – den Antimaterie-Gegenstücken der Elektronen. Es stellte sich heraus, dass das Spektrum der Positronen bei 25 Milliarden Elektronenvolt (GeV) stark ansteigt, auf etwa 300 GeV ansteigt, dann steil abfällt und bei etwa 1.000 GeV abschneidet. "Es ist völlig unregelmäßig", sagt Samuel Ting, Nobelpreisträger am Massachusetts Institute of Technology, der das 600-köpfige AMS-Wissenschaftsteam leitet.

Laut Ting ist die logischste Erklärung, dass der Partikeldetektor, ein Projekt von 56 Agenturen in 16 Ländern, Nebenprodukte von Kollisionen relativ massereicher Partikel der dunklen Materie sieht. Das eigentümliche Muster könnte jedoch auch von nahegelegenen Pulsaren oder einem anderen Phänomen herrühren.

"Der Abfall von Positronen ist interessant, ob er durch dunkle Materie, Pulsare oder etwas anderes verursacht wird", sagt M.I.T. Teilchenphysiker Tracy Slatyer. "Wenn es sich um dunkle Materie handelt, haben Sie einen genaueren Überblick darüber, wie groß die Masse sein muss. Wenn es von lokalen Pulsaren kommt, sagt es Ihnen etwas Wichtiges darüber, wie sich die Partikel dieser Pulsare durch die Galaxie ausbreiten müssen. (Durch) bessere Messungen dieser Hochenergie-Abschaltung, bei der die Statistiken derzeit recht begrenzt sind, könnten Sie möglicherweise eine der Erklärungen ausschließen. “

Ein weiteres faszinierendes Ergebnis ist der Nachweis von Antihelium-Partikeln durch AMS – Helium-Antimaterie-Gegenstücke, die zwei Antiprotonen und ein Antineutron enthalten – ein Ergebnis, das die AMS-Forscher noch nicht veröffentlicht haben. "Wir wollen sicherstellen, dass wir auch Antikohlenstoff und Antisauerstoff sehen können", sagt Ting. „Wir haben weniger als 10 Antiheliumsignale und die Rate beträgt ein Antihelium auf 100 Millionen Helium. Das ist so, als würde man drei Leute in der Bevölkerung der USA suchen. "

Job reparieren

Definitivere Antworten werden nur mit zusätzlichen Daten von AMS kommen, die während des letzten Flugs des Space Shuttles auf der ISS installiert wurden Bemühen Der 2-Milliarden-Dollar-Detektor, der fünf wissenschaftliche Instrumente, 300.000 elektronische Kanäle und 650 schnelle Prozessoren umfasst, ist eine wundersame Maschine. Es wurde jedoch nicht für Wartungsarbeiten entwickelt, insbesondere nicht für Astronauten, die in der Schwerelosigkeit herumstoßen. Das AMS-Kühlsystem umfasst vier kleine Pumpen, von denen jede mit einem Laufrad von der Größe eines Viertels ausgestattet ist, das sich mit 6.000 Umdrehungen pro Minute dreht, um sechs Gramm Kohlendioxid durch das System zu befördern. Es wird jeweils nur eine Pumpe verwendet. Jede Pumpe hat eine Lebensdauer von drei Jahren. Theoretisch sollte das System also eine Lebensdauer von 12 Jahren haben. Aber die Art und Weise, wie die erste Pumpe ausfiel, weckte Bedenken in Bezug auf den Rest. "Wir haben festgestellt, dass die Pumpen selbst ein schlechtes Design haben", sagt Mark Sistilli, AMS-Programmmanager der NASA.

Es stellte sich heraus, dass die Pumpen nicht ausreichend geschmiert waren und sich langsam zermahlen, was zu einem Stau führte. Die NASA versuchte herauszufinden, ob es überhaupt möglich war, das Kühlsystem durch weltraumtaugliche Astronauten zu ersetzen. "Wir wollten wirklich nicht, dass AMS mangels dieser Kühlung ausfällt", sagt Sistilli. Die NASA stützte sich auf Techniken und Werkzeuge, die für die fünf Shuttle-basierten Wartungseinsätze für das Hubble-Weltraumteleskop entwickelt wurden, und leitete ein vierjähriges Programm zur Reparatur des AMS.

Neben einem neuen Pumpensystem haben Ingenieure und Techniker rund 25 Spezialwerkzeuge für diese Aufgabe entworfen, als Prototypen erstellt und getestet und dafür gesorgt, dass alle Gegenstände an Bord von drei verschiedenen Frachtschiffen zur Station geflogen werden. Die Agentur schulte auch die ISS-Besatzungsmitglieder Luca Parmitano von der European Space Agency und Andrew Morgan von der NASA für die anstrengenden Arbeiten, die vor uns liegen.

Als die Astronauten letzten Monat für den ersten von vier geplanten Weltraumspaziergängen vor der Luftschleuse der Station schwebten, war AMS auf nur eine Pumpe beschränkt und hatte jeden Monat einen Arbeitszyklus von etwa 60 Prozent und fast kein CO2-Kühlmittel mehr. „Wir wussten, dass es nur eine Frage der Zeit ist, bis die vierte Pumpe läuft“, sagt Sistilli.

Empfindliche Manöver

Während des ersten 6,5-stündigen Ausfluges entfernten Parmitano und Morgan einen Schutzschild für Trümmer und hoben ihn in den Weltraum, damit er keine zukünftige Gefahr für die Station darstellt. Die Astronauten entfernten dann die Isolierung und eine Abdeckung von einem internen AMS-Träger, um 10 Edelstahlrohre mit der Breite eines Limonadenstrohhalms freizulegen. Sechs werden auf dem nächsten Platz zusammen mit zwei weiteren Röhren auf der anderen Seite des Detektors in das neue Pumpenpaket geschnitten und gespleißt. Eine Woche später, Die Astronauten waren für weitere sechs Stunden wieder draußen und schnitten acht Kühlmittelleitungsrohre sorgfältig durch, wodurch das ursprüngliche Kühlsystem dauerhaft deaktiviert wurde. Bei einem dritten Ausflug am 2. Dezember installierten sie das neue thermische Sanitärsystem.

Der Zeitpunkt des vierten und letzten AMS-Reparaturspaziergangs ist noch nicht festgelegt. Während dieses Ausflugs Die Astronauten beheben eventuelle Undichtigkeiten in den gespleißten Leitungen, die noch nicht unter Druck gesetzt wurden. Sie werden auch ein Isolierzelt über dem neuen Pumpenkasten installieren, um die Temperatur zu regulieren.

Das Kühlsystem ist für den Betrieb des Herzens von AMS von entscheidender Bedeutung – neun Schichten von Silizium-Trackern, die die Flugbahn und die elektrische Ladung transitierender Partikel messen. Der leistungsstarke Magnet von AMS krümmt den Pfad der einfallenden Partikel und dreht sich in die eine oder andere Richtung, je nachdem, ob sie eine positive oder negative Ladung enthalten. Messungen der Krümmung eines Teilchens in einem Magnetfeld können auch zur Berechnung des Impulses verwendet werden. Wissenschaftler setzen die Energie- und Impulsmessungen von AMS langsam zu einer pointillistischen – und möglicherweise neuen – Ansicht des Universums zusammen.

Die NASA wird erst nach dem vierten Weltraumspaziergang wissen, ob AMS wieder in Betrieb ist. "Wir haben im Wesentlichen gerade eine Herztransplantation durchgeführt", sagt Ken Bollweg, AMS-Projektmanager am Johnson Space Center der NASA in Houston. "Unser Ziel ist es, dass es noch mindestens 11 Jahre hält, oder solange sich die Raumstation in der Umlaufbahn befindet."

Trotz der Komplexität hat die NASA nie gezögert, ob die Reparatur von AMS die Zeit und Mühe wert war. "Dafür ist Station gedacht: Wissenschaft zu betreiben, die nirgendwo anders möglich ist, in einer Größenordnung, die nirgendwo anders möglich ist", sagt ISS-Direktor Samuel Scimemi. "Ob Dr. Tings Wissenschaft in naher Zukunft etwas Praktisches bewirkt oder nicht, weiß ich nicht. Aber wenn sich herausstellt, dass diese Forschung etwas zu unserer menschlichen Existenz in einem Bereich beiträgt, an dem noch nie jemand gearbeitet hat, dann ist das wertvoll genug. “