Mit dem Very Large Telescope der ESO haben Astronomen eine Gaswolke, die einige Male soviel Masse enthält wie die Erde und in Richtung auf das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße hin beschleunigt wird. Es ist das erste Mal, dass Astronomen eine solche Wolke, deren Schicksal durch das Schwarze Loch bereits besiegelt ist, beobachten. Die Entdeckung wird in der Fachzeitschrift Nature in der Ausgabe vom 5. Januar 2012 präsentiert.

Im Rahmen eines 20-jährigen Programms zur Untersuchung der Bewegung von Sternen in der Umgebung des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxis mit Teleskopen der ESO (eso0846) hat ein Astronomenteam unter der Leitung von Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (MPE) in Garching bei München ein einzigartiges neues Objekt entdeckt, das sich schnell auf das Schwarze Loch zu bewegt.

In den vergangenen sieben Jahren hat sich die Geschwindigkeit des Objekts nahezu verdoppelt. Derzeit liegt sie bei 8 Millionen Kilometern pro Stunde. Die Umlaufbahn des Objekts um das Schwarze Loch ist sehr langgestreckt. Mitte 2013 wird es den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs in einem Abstand von nur 40 Milliarden Kilometern passieren (das entspricht etwa 36 Lichtstunden). An kosmischen Größenskalen gemessen ist das eine extrem enge Begegnung mit einem Schwarzen Loch.

Das Objekt ist mit rund 280°C viel kühler als die Sterne in der Umgebung und besteht zum überwiegenden Teil aus Wasserstoff und Helium. Es handelt sich um eine staubhaltige ionisierte Gaswolke mit einer Masse die in etwa der dreifachen Erdmasse entspricht. Die starke Ultraviolettstrahlung der heißen Sterne im dichtbevölkerten Zentrum der Milchstraße bringt die Wolke zum Glühen.

Die Wolke ist bereits viel dichter als das heiße Gas, welches das Schwarze Loch umgibt. Sobald die Wolke näher an das gefräßige Ungetüm herankommt, wird sie unter dem herrschenden Druck weiter komprimiert. Gleichzeitig beschleunigt die enorme Anziehungskraft des Schwarzen Lochs, das eine Masse von vier Millionen Sonnenmassen aufweist, die Wolke weiter und dehnt sie entlang ihrer Umlaufbahn.

“Ein Astronaut, der sich in der Nähe eines Schwarzen Lochs befindet, würde ganz ähnlich ‘spaghettifiziert’ werden, denn wenn sich seine Füße näher am Schwarzen Loch befinden als sein Kopf, werden sie auch viel stärker angezogen. Bei dieser Wolke können wir genau verfolgen, wie dieser Prozess tatsächlich abläuft. Sie wird die Begegnung mit dem Schwarzen Loch nicht überstehen”, erläutert Stefan Gillessen vom MPE, der Erstautor des Fachartikels, in dem die Entdeckung der Wolke beschrieben wird.

Im Zeitraum von 2008 bis 2011 konnten die Astronomen bereits deutliche Anzeichen für die Zerstörung der Wolke feststellen. Die Ränder der Wolke sind schon dabei, auseinanderzureißen. Man kann davon ausgehen, dass sie sich innerhalb der nächsten Jahre komplett auflösen wird.

Die Wolkenmaterie wird sich voraussichtlich stark aufheizen und Röntgenstrahlung abgeben, wenn sie sich im Jahre 2013 dem Schwarzen Loch annähert. Zur Zeit befindet sich in der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs nur sehr wenig Material, so dass die Wolke in den nächsten Jahren zur Hauptmahlzeit des Schwarzen Loches werden wird.

Eine mögliche Erklärung für die Herkunft der Gaswolke ist, dass es sich um Materie handelt, die von den jungen, massereichen Sternen in der Umgebung stammt. Diese Sterne verlieren viel Masse in Form von starken Teilchenwinden. Die Wolke könnte sich bei der Kollision der Winde zweier bestimmter Sterne gebildet haben, die ein Doppelsystem bilden und ebenfalls das Schwarze Loch umlaufen.

“Die nächsten beiden Jahre werden sehr spannend werden. Wir werden viel darüber lernen, wie sich Materie in der unmittelbaren Umgebung eines Schwarzen Lochs verhält”, schließt Reinhard Genzel. (Quelle: idw)

Das könnte Sie auch interessieren:

• Milchstraße: Schwarzes Loch stiftet fruchtbares Chaos
• Ist die Quantenmedizin die sanfte Medizin des 21. Jahrhunderts?
• Geist in der Materie entdeckt
• Galaxienbildung: Kurzlebige Sterne sollen Masse-Rätsel lösen helfen
• Wissenschaftswunder 2010: Aliens auf Erden, Volkszähler in der Tiefsee

Eine Spur des Higgs-Teilchens: Bei den roten Linien handelt es sich um Myonen, die über eine Kaskade von Zerfällen aus dem Higgs-Boson entstehen können. Da andere Prozesse jedoch eine ähnliche Signatur hinterlassen, müssen Physiker unzählige solcher Ereignisse analysieren, um die Existenz des Higgs-Bosons mit ausreichender Wahrscheinlichkeit zu beweisen. Atlas Cooperation

Physiker aus aller Welt haben vor bald zwei Jahren mit Messungen im Large Hadron Collider (LHC) am Genfer Cern begonnen. Seit einigen Tagen nun kursieren Meldungen, dass ein wichtiges Forschungsziel bald erreicht sein könnte: Offenbar gibt es Hinweise auf das Higgs-Teilchen. Stefan Stonjek ist Wissenschaftler in der Atlas-Kooperation, einem der Experimente, mit dem Physiker dem Elementarteilchen nachspüren. Er spricht darüber, was am LHC tatsächlich gefunden wurde und welche Konsequenzen das haben könnte.

Herr Stonjek, was genau gibt es Neues von den Experimenten im Large Hadron Collider?

Wir haben im LHC inzwischen etwa 100 Billionen Mal Protonen mit einer Energie, die bislang kein anderer Teilchen-Beschleuniger erreicht hat, aufeinander prallen lassen. Unter den Elementarteilchen, die bei den Kollisionen entstehen, haben wir erste vielversprechende Ergebnisse bei der Suche nach dem Higgs-Boson. Die Messungen sind zwar noch nicht aussagekräftig genug, damit wir von einer Entdeckung sprechen können. Wir nehmen sie aber sehr ernst, weil sie sowohl vom Atlas- als auch vom CMS-Experiment kommen. Die beiden Detektoren messen mit unterschiedlichen Methoden und kontrollieren sich gegenseitig. Wenn beide Detektoren nun im selben Bereich mehr Ereignisse beobachten als wir erwarten, können wir das nicht wegdiskutieren.

Was heißt das genau?

Vor unseren Messungen haben wir zunächst so getan, als gebe es nur die Elementarteilchen, deren Existenz bereits bewiesen ist. Auf der Basis dieser bekannten Physik haben wir Erwartungen formuliert, welche Ergebnisse die Experimente liefern sollten. Wenn wir dann einer Stelle mehr Teilchen als erwartet messen, könnte es sich um die Spur einer neuen Physik, in diesem Fall des Higgs-Bosons handeln.

Wie konkret sind die Hinweise?

Beim Atlas-Experiment liegt der Messwert 2,3 Standardabweichungen über dem erwarteten Wert, beim CMS-Experiment sind es 1,9 Standardabweichungen – aber wohlgemerkt an derselben Stelle. Auf jeden Fall können wir den Bereich, in dem wir suchen müssen, jetzt sehr stark einengen.

Wie wahrscheinlich ist es dann, dass es sich tatsächlich um das Higgs-Teilchen handelt?

Eine Standardabweichung von 2,3 entspricht einer Wahrscheinlichkeit von 98 Prozent, dass es sich bei den Messungen nicht um eine statistische Schwankung handelt. Das ist wie beim Würfeln: Da ist es auch möglich, sechsmal hintereinander eine Sechs zu würfeln, obwohl sie im Mittel nur bei einem von sechs Würfen fallen sollte.

Wann können Sie von einer Entdeckung sprechen?

Ab einer Standardabweichung von fünf. Dann beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass wir das Higgs-Boson entdeckt haben 99,99993 Prozent. Dann glauben uns das auch alle Teilchen-Physiker.

Was hätte es für Konsequenzen, wenn sich die Existenz des Higgs-Teilchens bestätigt?

Dann können wir erklären, warum die Teilchen Masse haben. Wir wissen, dass sie Masse haben. Ich benutze dafür gerne das Bild, dass wir das jeden Morgen merken, wenn wir schwer aus dem Bett kommen. Im Standard-Modell der Teilchenphysik gibt es ohne den Higgs-Mechanismus oder ähnliche Erklärungen aber keine Masse.

Was taugt ein Modell, das der Wirklichkeit so offenkundig widerspricht?

Es ist in der Physik üblich ein Modell aufzustellen, um bestimmte Aspekte der Wirklichkeit zu erklären, auch wenn man weiß, dass es unvollkommen ist.

Diesen Makel soll das Higgs-Boson beseitigen?

Das Higgs-Boson würde den Higgs-Mechanismus beweisen. Diesen Mechanismus hat der britische Physiker Peter Higgs formuliert; er erklärt, wie die Teilchen Masse erhalten.

Bis wann wissen Sie genau, ob es sich bei den aktuellen Messungen um die Spuren des Higgs-Bosons handelt?

Bis Februar bleibt der Large Hadron Collider erst einmal abgeschaltet…

Gerade jetzt, wo es so spannend wird? Das ist ja schlimmer als die Winterpause der Fußball-Bundesliga.

Einmal im Jahr müssen wir die Maschine stilllegen, um sie zu warten. Dafür ist schon seit langem die Zeit bis Februar geplant, nicht zuletzt, weil in Frankreich viel mit Strom geheizt wird und der Strom dann teuer ist. In den USA werden Teilchen-Beschleuniger im Sommer abgeschaltet, wenn die Klimaanlagen die Stromkosten in die Höhe treiben. Wir hoffen aber, dass wir dann im nächsten Jahr bis zu vier Mal mehr Daten sammeln können als in diesem Jahr. Dann können wir die Existenz des Higgs-Bosons vielleicht schon im Sommer bestätigen oder ausschließen, spätestens aber bis zum Winter.

Und wenn das Higgs-Boson nicht existiert…

Dann ist das keine Niederlage. Im Gegenteil, für uns Physiker wäre das sehr spannend. Dann müssten sich die Theoretiker nämlich einen neuen Mechanismus überlegen, wie die Materie zu ihrer Masse kommt.

Aber nehmen wir mal an, Sie finden das Higgs-Boson. Wie geht es dann weiter?

Dann gibt es immer noch Elementarteilchen, die wir mit dem LHC finden möchten, supersymmetrische Teilchen zum Beispiel.

Welche Rolle spielen die?

Da muss ich ein bisschen ausholen: In dem Teilchenzoo, den wir kennen, unterscheiden sich die die Elementarteilchen, aus denen die Materie besteht, und die Teilchen, die Kräfte vermitteln, in einer fundamentalen Eigenschaft, dem Spin, der vereinfacht oft als Eigendrehimpuls der Teilchen beschrieben wird. Die Fermionen, aus denen sich Materie zusammensetzt, haben einen halbzahligen Spin, die Bosonen, die Kräfte vermitteln, haben einen ganzzahligen Spin. Das ergibt eine Asymmetrie. Weil wir Physiker die Symmetrie mögen, suchen wir nun also nach Elementarteilchen, die Materie aufbauen und einen ganzzahligen Spin besitzen, und solchen mit halbzahligem Spin, die Kräfte vermitteln. Das sind die supersymmetrischen Teilchen – wir nennen sie manchmal Susys. Diese Teilchen sind übrigens auch gute Kandidaten für die Dunkle Materie, die wir nicht sehen, die es im Weltall aber geben muss.

Welche Voraussetzungen müssen erfüllt sein, damit Sie die Susys finden?

Zum einen wollen wir Protonen mit doppelt so hoher Energie wie derzeit aufeinander schießen. Diese Energie wollen wir Ende 2014 erreichen. Zum anderen müssen wir noch viel mehr Kollisionen analysieren, weil die Susys noch deutlich seltener auftreten als das Higgs-Boson.

Das klingt so, als hätten Sie noch viel zu tun…

Darüber sind wir auch sehr froh. Wir wollen im LHC ja noch mehr als zehn Jahre lang spannende Experimente machen. Wäre doch blöd, wenn wir nach etwa zwei Jahren Messbetrieb schon alles entdeckt hätten.

Herzlichen Dank für das Gespräch!

Das Gespräch führte Peter Hergersberg  (Quelle: idw)

Das könnte Sie auch interessieren:

• Wo hat sich das Higgs-Teilchen versteckt?
• Wird das »Gottesteilchen« 2009 in Genf erscheinen?
• Teilchenbeschleuniger LHC: Protonen sollen mit Rekordenergie zusammenprallen
• Geist in der Materie entdeckt
• Wissenschaftler feiern – Neustart des Teilchenbeschleunigers LHC

Berührungslose und objektschonende 3D-Vermessung (3D-Scan) von Kunst- und Kulturgütern als alternative Dokumentationsmethode und Grundlage für innovative Anwendungen in der Archäologie und Denkmalpflege. Dieser Anwenderbericht soll Ihnen einen Überblick über die Möglichkeiten und Vorteile der modernen 3D-Scan-Verfahren für die wissenschaftliche 2D-/3D-Bestands- und Sicherungsdokumentation am Beispiel der Grabungskampagne des Ägyptischen Museums Berlin in der Königsstadt Naga (UNESCO Weltkulturerbe) geben

3D-Sicherungs- und Bestandsdokumentation archäologischer Grabungsfunde in der „Königsstadt Naga“

Als eine der ersten deutschsprachigen Grabungskampagnen vertraute das Team um Herrn Prof. Dr. Wildung und Frau Dr. Kröper auf die hochmodernen 3D-Scan-Verfahren als alternative Dokumentationsmethode in der Archäologie. Das Wisseschaftlerteam betraute den Berliner Spezialdienstleister TrigonArt mit dem berührungslosen 3D-Scannen und der wissenschaftlichen 2D-/3D-Dokumentation von Grabungsfunden sowie der virtuellen Rekonstruktion zerstörter Fundobjekte für die Grabung in der Königsstadt Naga. Auf Grundlage der gewonnenen 3D-Daten wurden im Anschluss an die Vermessungsarbeiten physische Modelle gefertigt und Teile der Forschungsergebnisse in Form von Animationen visualisiert.

Amuntempel Luftbild (c)TrigonArt

Das UNESCO Weltkulturerbe Königsstadt Naga

Fünfzehn Jahre hat das Team des Ägyptischen Museum Berlin in der Wüste des Sudan gegraben und restauriert. In den Tempelruinen von Naga, einer 2000 Jahre alten Königsstadt des Reiches von Meroë, sind zahlreiche teils monumentale Königs- und Götterstatuen, Löwenskulpturen, Reliefs und Inschriften ausgegraben worden. Die im Sudan gefundenen archäologischen Objekte erweitern den Begriff der Antike über Ägypten hinaus in die Kulturen Afrikas. Neben völlig neuen Einsichten in die Geschichte und Kunst des Altertums, leistet die Grabung einen Beitrag zur kulturellen und historischen Identität des Sudan und wird damit zu einem Faktor des Dialogs mit Afrika und der arabischen Welt. Neben zahlreichen atemberaubenden Einzelfunden und Relieffragmenten, wurden auch ganze Tempelanlagen, wie die Hathorkapelle und der Amuntempel, freigelegt und für die Nachwelt restauratorisch gesichert.

Lagerplatz Fragmente Tempel 200 (c)TrigonArt

Berührungslose 3D-Vermessung von kleinsten Grabungsfunden, Reliefs, Säulen und Tempelgebäuden mittels eines 3D-Streifenlichtscanners

3D-Scan-Verfahren
Bei dem in Naga eingesetzten 3D-Lichtschnittscanner mit codiertem Lichtansatz handelt es sich um ein System, mit dem Tiefenauflösungen und Messgenauigkeiten um die 0,1 mm erreicht werden können. Um diese Genauigkeiten zu erreichen, greifen verschiedene Messprinzipien und Algorithmen, wie das Triangulationsverfahren, das Lichtschnittverfahren, der codierte Lichtansatz sowie das Phasenshiftverfahren ineinander. Während der Vermessungsarbeiten werden verschiedene Streifenmuster in bestimmten Intervallen auf das zu vermessende Objekt projiziert. Durch rechnerische Kombination der Streifenmuster-Sequenzen wird die Geometrie des Objektes präzise erfasst, berechnet und als Messpunktwolke abgespeichert. Die Auflösung des 3D-Scanners wird durch die Kameraauflösung bestimmt. Bei jeder möglichen Messfeldgröße liegt die Messpunktanzahl bei dem von der TrigonArt eingesetzten 3D-Scan-System immer bei 1600 x 1200, also bei 1,92 Mio. Messpunkten pro 3D-Scan. Die maximal und praktisch getesteten Messfeldgrößen liegen bei 1,5 m x 1,5 m, so dass auch große Objekte, wie die Hathorkapelle in Naga, detailliert und mit sehr hohen Auflösungen 3D-dokumentiert werden können.

3D-Scan Amuntempel (c) TrigonArt

Anzahl, Größe und Art der archäologischen Objekte
Das Ziel der 3D-Messeinsätze in der Königstadt Naga war die systematische 3D-Vermessung aller archäologischen Grabungsfunde, die während der letzten Jahre von den beteiligten Wissenschaftlern im Sudan freigelegt wurden. Darunter befanden sich rund 140 Kleinfunde, wie Miniaturen, Täfelchen oder Schmuckstücke, die auf dem gesamten Grabungsgelände gefunden wurden. Im Bereich des Amuntempels wurden im Laufe der letzten Jahre rund 120 Architekturbauteile und verzierte Blöcke von Wänden, Reliefs und Inschriften sowie 6 Säulen dreidimensional erfasst. Am Tempel 200 wurden ca. 1.600 einzelne Sandsteinblöcke und Überreste der ehemaligen Tempelwände gescannt. Der Höhepunkt der 3D-Scanarbeiten war aber die vollständige dreidimensionale Vermessung der Harthorkapelle inklusive aller sich im Versturz befindlichen Fragmente für die anschließende virtuelle Rekonstruktion, auf Basis derer die Planungen der Sicherungsmaßnahmen des vom Verfall bedrohten Gebäudes erfolgte.

3D-Vermessung Fragmentstein (c) TrigonArt

Objektive Dokumentation der Grabungsfunde in Form von texturierten 3D-Modellen und verzerrungsfreien 2D-Messbildern

Verfahren zur Erstellung von verzerrungsfreien Messbildern aus texturierten 3D-Modellen
Eine homogene Punktwolke entsteht bei einem 3D-Scan von Objekten oder Oberflächen mittels eines der verschiedenen 3D-Scan-Verfahren und bezeichnet die Gesamtmenge aller gemessenen Einzelpunkte. Jeder dieser Einzelpunkte ist mit seiner xyz-Koordinate im Raum erfasst und wird im universellen ASCII-Format gespeichert. Die Anzahl der erfassten Einzelpunkte hängt dabei sehr von der Objektgröße und der gewünschten Messgenauigkeit ab. Die erfassten Punktwolken sind Voraussetzung für die Erstellung komplexer 3D-Modelle und dienen in erster Linie dazu, die gescannten Objekt am Computer zu visualisieren. Erst durch eine gezielte Oberflächenrekonstruktion der Punktwolke, auch meshing genannt, kann im nächsten Verarbeitungsschritt eine geschlossene Modelloberfläche aus Polygonen (Dreiecken) erstellt werden und das 3D-Modell entstehen. Die typische, aus Dreiecken bestehende, Polygonnetzoberfläche stellt dabei sicher, dass kleinste Details geometrisch und maßlich korrekt dargestellt werden, so dass das 3D-Modell als wirkliche virtuelle Kopie des Original anzusehen ist. Abschließend kann die Modelloberfläche synthetisch oder fotorealistisch texturiert werden. Für wissenschaftliche Betrachtungen der Oberflächenstruktur bieten sich objektive Grauwerte an. Für eine denkmalpflegerische Maßnahmenkartierung oder zur Planung restauratorischer Eingriffe benötigt man jedoch eine realitätsgetreue Oberflächenoptik, bei der die 3D-Modelle mit hochaufgelösten Digitalfotos texturiert werden.

3D-Modelle Kleinfunde (c) TrigonArt

Die maßstabsgetreuen und unverzerrten 2D-Messbilder werden abschließend aus den erstellten 3D-Modellen gerendert. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, jede beliebige Ansicht auf das erfasste Objekt ausgeben zu lassen und man ist nicht nur auf die exakten orthogonalen Ansichten angewiesen, wie sie üblicherweise bei wissenschaftlichen Dokumentationen, wie Fundbüchern oder Inventarlisten benötigt werden. Orthobilder geben den Wissenschaftlern die Möglichkeit, exakte Messungen oder wissenschaftliche Auswertungen in ihnen vorzunehmen. Weiterhin können sie Schäden kartieren, zerstörte Objekte aus Einzelfragmenten zusammensetzen oder Fehlstücke einpassen. Fototexturierte Messbilder geben ihnen zusätzlich die Möglichhkeit, vorhandene Farbwerte zu bestimmen.

3D-Modell Hathorkapelle (c) TrigonArt

Umfang der digitalen Fundbücher und der 3D-Grabungsdokumentation
Für die Grabungskampagne in der Königstadt Naga wurden über die Jahre mehr als 2.000 einzelne 3D-Modelle erstellt. Bei einem Großteil der Objekte wurde nur eine synthetische Grauwerttextur aufgebracht und aus Zeit- und Kostengründen auf eine fotorealistische Texturierung verzichtet. Für eine wissenschaftliche Dokumentation und Auswertung reichte dies, gerade bei Architekturbauteilen und sandsteinfarbenen Fragmenten, völlig aus. Bei Grabungsfunden mit patinierten oder mehrfarbigen Oberflächen wurden jedoch fotorealistische Texturen auf die 3D-Modelle gemappt. Zu Archivierungszwecken wurden im Anschluss aus jedem der rund 2.000 3D-Modelle bis zu 6 Messbilder, meist die orthogonalen Ansichten, gerendert und in Form eines Fundbuches ausgegeben. Die verzerrungsfreien und maßstabsgetreuen Messbilder wurden fachmännisch beschriftet und durch zusätzliche Informationen, wie Fundort, Zeitpunkt, Größe, Masse und Volumen ergänzt. Die Ergebnisse sollen abschließend in eine wissenschaftliche Datenbank des Ägyptischen Museums eingespielt werden und stehen den Wissenschaftlern in den nächsten Jahren jederzeit für weitere Forschungsarbeiten zur Verfügung.

3D-Modell mit Fototextur und synthetischer Textur (c) TrigonArt

Softwaregestützte Auswertung und wissenschaftliche Analysen der 3D-Daten

Im Gegensatz zu einer handschriftlichen analogen Dokumentation von Grabungsfunden ergeben sich für die erfassten 3D-Daten in der Folge eine Vielzahl von innovativen, hochpräzisen und softwaregestützten Auswertungs- und Analysemöglichkeiten, wie z.B. die Erstellung von horizontalen und vertikalen Schnitten durch die Objekte, die Sichtbarmachung feinster Strukturen durch eine variable Ausleuchtung, die Darstellung von Höhenreliefs in Form von Falschfarbbildern, die Abwicklung von Objekten auf eine Ebene, sowie Masse- und Volumenberechnungen. Bei der Funddokumentation von erhaltenen Vasen und Schalen wurden im Projekt Naga vorallem horizontale und vertikale Schnitte für die Bestimmung von Wandstärken erstellt. Mit Hilfe von computergestützten Ausleuchtungen konnten feinste Ritzungen und verwitterte Graffities, die mit bloßem Auge kaum sichtbar gewesen waren, deutlich visualisiert werden. Auch die Darstellung von farblichen Höhenreliefs in Kombination mit einer wertmäßigen Ausgabe, erleichterte den Wissenschaftlern das Erkennen und das Dokumentieren feinster Strukturen auf verwitterten Oberflächen, wie z.B. am Amuntempel. Ebensfalls wurden am Amuntempel mehrere Säulen auf die Ebene abgewickelt, so dass man die reichhaltigen Verzierungen und Inschriften auf einen Blick sehen und auswerten konnte. Die gleiche Technik wurde auch für die zahlreichen rechteckigen Portale des Tempels angewendet.

Abwicklung einer Säule (c) TrigonArt

Virtuelle Rekonstruktionen zerstörter oder beschädigter Grabungsfunde

Ein Teil der 3D-Daten wurde den Archäologen schon vor Ort im Sudan zur Verfügung gestellt, um sie direkt bei Ihrer Forschungsarbeit zu unterstützen. Die Messergebnisse ermöglichten ihnen, zeitnah neue Einblicke und potenzielle Zusammenhänge in ihre Forschungsobjekte zu gwinnen und weiterführende Arbeiten, wie die digitale Rekonstruktion, vorzubereiten. Zerstörte oder beschädigte Gefäße, Schalen, kleine Figuren und Statuen wurden aus freigelegten Scherben und Fragmenten virtuel wieder zusammengesetzt. Am Amuntempel konnten mehrere liegende und zum Teil schwer beschädigte oder zerstörte, tonnenschwere Säulen digital wieder aufgebaut werden. Aus rund 120 Fragmentsteinen wurden am Tempel 200 ganze Reliefswände digital rekonstruiert. In mehreren Arbeitsschritten wurden in einer Art Puzzle die Einzelblöcke wieder zusammengesetzt. Für die analogen Rekonstruktionsarbeiten durch die Wissenschaftler wurden umfangreiche Einzelblockkataloge angelegt. Dabei wurden sämtliche Steinansichten in Form von Orthobildern im Maßstab 1:5 auf Papier ausgegeben. Die Rekonstruktion fand zunächst von Hand statt. Die Ergebnisse wurden anschließend in den Computer übertragen und auf ihre Machbarkeit anhand von Überschneidungen und Schnittkanten geprüft und abschließend als Gesamtmodell ausgegeben.

virtuelle Rekonstruktion Reliefwand Tempel 200 (c) TrigonArt

In Vorbereitung für die Sicherungs- und Restaurierungsarbeiten an der Hathorkapelle war es nötig, das noch bestehende, aber vom Einsturz bedrohte Gebäude und die freigelegten Bauteile hochpräzise zu vermessen. Nach dem vollständigen 3D-Scan aller Bauteile und der Erstellung eines 3D-Modells durch die TrigonArt wurden zunächst entsprechende Mess- und Orthobilder aller Innen- und Außenansichten und einzelner Bauteile, sowie Grundrisse den beteiligten Archäologen und Restauratoren zur Verfügung gestellt. Mit Hilfe dieser maßstabsgetreuen Grafiken versuchten die Wissenschaftler anschließend, die umherliegenden Fragmente aus dem Versturz mit dem Gebäude auf dem Papier wieder zu verbinden. Nach Abschluss der wissenschaftlichen Auswertung wurden die Ergebnisse der Archäologen in Form einer virtuellen Rekonstruktion in einem 3D-Gesamtmodell der Hathorkapelle umgesetzt und ausgegeben.

virtuelle Rekonstruktion Hathorkapelle (c) TrigonArt

Fertigung von Prototypen, hochwertigen Repliken und Stützkonstruktionen mittels der 3D-Druck-Technik und der CNC-Fräs-Technik

Im Anschluss an die virtuelle Rekonstruktion der Hathorkapelle und im Rahmen der Sicherungsmaßnahmen wurden aus den 3D-Daten zwei vom Verfall bedrohte Kapitelle physisch reproduziert. Auf Basis der 3D-Modelle wurden zunächst technische Prototypen aus Kunststoff mittels der CNC-Frästechnik erstellt. Diese Prototypen wurden anschließend mit Silikon abgeformt. Mit Hilfe der erstellten Gussformen wurden dann zwei originalgetreue Repliken der Kapitelle aus Sandstein gegossen, die abschließend in das Bauwerk eingebracht wurden und seit dem die tonnenschweren Architrave tragen.
Desweiteren wurde für die Ausstellung im Kunstforum der Berliner Volksbank ein physisches Modell der Hathorkapelle im Maßstab 1:10 mittels eines 3D-Druck-Verfahrens hergestellt. Das detailreiche Modell begeistert seit dem die Besucher der Ausstellung und zeigt anschaulich die meroitische Hathorkapelle aus der Königsstadt Naga in ihrer derzeitigen Form.
Weiterhin wurde ein ursprünglich im Sanktuar befindlichen Altar mit einem 3D-Scanner erfasst. Anschließend wurden die 3D-Daten in eine CNC-Fräse eingelesen, die ein physisches Modell in einem Modellbaukunststoff fräste. Dieser Prototyp diente den beteiligten Restauratoren als Vorlage für die Fertigung einer Kopie in Kunststein.

3D-Druck Hathorkapelle im Maßstab 1:10 (c) TrigonArt

Informierende und visualisieruende Animationen und Interaktionsmöglichkeiten

Einmal erfasste 3D-Daten bieten sich zusätzlich als Grundlage für Animationen an und können Wissenschaftlern als Hilfsmittel für die Visualisierung von Forschungserbnisse dienen, wissenschaftliche Beweisführungen unterstützen oder Rekonstruktionsverläufe nachvollziehbar machen. Für die Grabungskampagne Königsstadt Naga wurden eine Vielzahl von einfachen Fundanimationen und Interaktionsmodellen erstellt. Diese dienten hauptsächlich den Wissenschaftlern bei der Präsentation Ihrer Grabungskampagne oder bereichern fachwissenschaftliche Internetseiten und Datenbanken.
Im Falle der Hathorkapelle wurde jedoch eine sehr umfangreiche Animation erstellt, durch die Hr. Prof. Dr. Wildung persönlich führt. Die eigens für die Ausstellung „Königstadt Naga“ erstellte Animation verfolgte das Ziel, die wissenschaftlichen Arbeiten an der Hathorkapelle den Besuchern vorzustellen und zu visualisieren. Dafür wurden zunächst die einzelnen Schritte der Freilegung dargestellt. Im zweiten Abschnitt wurde die virtuelle Rekonstruktion visualisiert, bevor abschließend auf die Problematik der instabilen Kapitelle eingegangen wurde.

Animation Hathorkapelle (c) TrigonArt

Beteiligte Personen und Institutionen

• Herr Prof. Dr. Wildung (Grabungsleiter, ehemaliger Direktor Neues Museum Berlin, Neues Museum Berlin)

• Frau Dr. Kröper (Grabungsleiterin, Ägyptisches Museum Berlin Verein)

• Herr Dipl.-Ing. Thomas Bauer (TrigonArt Bauer Praus GbR)

• Herr Mark Praus (TrigonArt Bauer Praus GbR)

Weiterführende Links:

Die Animationen finden Sie unter: TrigonArt bei youtube

Download des Anwenderberichts unter: Anwenderbericht

Das könnte Sie auch interessieren:

• Keine verwandten Artikel

Ein Interview mit Siegfried Bethke vom Münchner Max-Planck-Institut für Physik über die aktuellen Forschungsergebnisse am Large Hadron Collider (LHC) in Genf

Professor Bethke, seit zwei Jahren kollidieren am LHC Teilchen miteinander, fast eine Billiarde Zusammenstöße haben die Detektoren inzwischen registriert. Was ist dabei herausgekommen?

Bethke: Wir haben intensiv gesucht, zuvor unbekannte Teilchen konnte der LHC allerdings noch nicht entdecken. Auch Effekte, die auf neue Theorien oder gar eine neue Physik hindeuten würden, sind bislang ausgeblieben.

Das klingt ernüchternd.

Bethke: Es ist in der Tat ein klein bisschen enttäuschend, aber es kommt nicht unerwartet. Wir wussten von Anfang an, dass wir immens viele Kollisionen für eine aussagekräftige Statistik brauchen werden. Deshalb soll der LHC ja nicht nur zwei Jahre, sondern zehn oder 20 Jahre lang laufen. Insgeheim haben wir dennoch gehofft, dass die Natur schon früher eine Überraschung für uns bereit halten wird. Doch auch ohne die sind bislang weit mehr als 100 wissenschaftliche Veröffentlichungen publiziert worden.

Worüber denn, wo Sie doch nichts entdeckt haben?

Bethke: Selbst wenn man nichts findet, lassen sich Ausschlussgrenzen für die gesuchten Phänomene angeben – zum Beispiel für die supersymmetrischen Quarks, deren Existenz das bisherige Modell der Teilchenphysik erweitern würde. Von denen wissen wir jetzt, dass sie mindestens 1000-mal so schwer wie Protonen sein müssen. Das klingt zunächst langweilig, ist aber sehr interessant für Physiker und für die Formulierung neuer Theorien. Zudem haben wir den LHC wie geplant dazu genutzt, das aktuelle Standardmodell der Elementarteilchen zu überprüfen.

Was gibt es da zu überprüfen?

Bethke: Wir wissen, dass das Standardmodell nicht die letzte Antwort der Natur sein kann. Es hat zu viele offene Fragen, es ist weit von einer Weltformel entfernt. Besonders bei hohen Energien erwarten wir Abweichungen. Diese Bereiche können wir am LHC nun erstmals testen.

Und, haben Sie das Modell bereits widerlegt?

Bethke: Im Gegenteil, bislang passen die Messergebnisse selbst bei hohen Energien sehr gut zu den theoretischen Vorhersagen. Das ist natürlich schön für das Standardmodell, aus Sicht einer neuen Physik ist es aber beinahe eine Enttäuschung.

Was ist mit dem mysteriösen Higgs-Teilchen, das im gegenwärtigen Modell dafür verantwortlich sein soll, dass Elementarteilchen zu ihrer Masse kommen. Bislang hat es niemand gesehen.

Bethke: Auch wir haben noch kein eindeutiges positives Signal entdeckt. Wir können aber bereits viele Bereiche ausschließen, so dass dem Higgs-Teilchen nur noch wenige Ecken bleiben, in denen es sich verstecken kann. Bei diesen Energien wollen wir kommendes Jahr verstärkt suchen. Es wäre ein Triumph, wenn wir das Teilchen finden.

Und wenn nicht, wäre es eine große Niederlage?

Bethke: Nein, auf keinen Fall. Wenn wir auf Basis unserer Messungen definitiv ausschließen können, dass das Higgs-Boson existiert, wäre das sogar eine Revolution. Wir müssten das Standardmodell über den Haufen werfen. Theoretiker müssten nach einer alternativen Theorie suchen, die die Welt im Kleinsten schlüssig beschreiben kann. Das wäre wesentlich aufregender, als das Higgs-Teilchen einfach zu bestätigen.

Wann werden Sie Gewissheit haben?

Bethke: Der LHC läuft seit über einem Jahr unerwartet gut und gibt uns mehr Daten, als wir selbst unter optimistischen Annahmen gedacht hätten. Wenn das so weiter geht, werden wir spätestens Ende nächsten Jahres das Higgs-Teilchen gesehen haben – oder seine Existenz ein für alle Mal ausschließen können.

Herzlichen Dank für das Gespräch!

Das Interview führte Alexander Stirn.  (Quelle: idw)

Das könnte Sie auch interessieren:

• Jagd nach dem Gottesteilchen: Spuren des Higgs-Bosons gefunden.
• Wird das »Gottesteilchen« 2009 in Genf erscheinen?
• Teilchenbeschleuniger LHC: Protonen sollen mit Rekordenergie zusammenprallen
• Zellen, Proteine und Moleküle automatisiert untersuchen und Krankheiten früher erkennen
• Zahnersatz: Neue Beißer aus dem Automaten

Seit März 2011 ist es nun nachgewiesen, dass Wärmestrahlung – also elektromagnetische Wellen – für die Abbremsung der beiden Sonden verantwortlich ist. Dabei wurden sowohl die Auswirkungen der direkten Wärmeabstrahlung als auch deren Reflektion an verschiedenen Bauteilen der Sonde mit einbezogen. Eine wichtige Rolle in der Gesamtberechnung spielt dabei die Wärmeabgabe der Atombatterien, die die Zerfallswärme des Plutoniums zum Teil in Elektrizität umwandeln und den Rest in den Weltraum abstrahlen. Zusätzlich gibt der Satellit die von den elektrischen Verbrauchern erzeugte Abwärme ab. Wenn diese Hitzeabstrahlung nicht absolut gleichmäßig in alle Richtungen erfolgt, führt dies bereits zu einem wahrnehmbaren Einfluss auf die Flugbahn.

Bis dieses Ergebnis vorgelegt werden konnte trafen sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den USA, Kanada, Frankreich, Norwegen, Italien, Großbritannien, den Niederlanden und Deutschland zum jährlichen Workshop in Bern. Darunter auch das Team von Professor Claus Lämmerzahl vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) an der Universität Bremen.

Das Bremer Team beschäftigt sich seit vier Jahren intensiv mit einer ausführlichen Thermalanalyse der Sonden. Anhand eines detaillierten mathematischen Modells des Satelliten in Kombination mit dem von der NASA bereitgestellten Datenmaterial berechnet ZARM-Mitarbeiter Benny Rievers die Oberflächentemperaturen zu jedem Zeitpunkt der Mission und anschließend die resultierenden Rückstoßkräfte. Dazu war es notwendig, einen speziell angepassten Raytracer (mathematisches Verfahren zur Verfolgung von (Licht-) Strahlen in 3D) zu entwickeln. Basierend auf den Temperaturdaten vom Satelliten unter Berücksichtigung der Reflektionseigenschaften des Oberflächenmaterials, ist der Raytracer in der Lage, die entstehenden Kräfte hochgenau zu berechnen.

Thermale Rückstoßkräfte sind Grund der Anomalie

Bereits 2009 konnte Rievers bestätigen, dass die Thermalstrahlung einen erheblichen Anteil an den Positionsabweichungen der Sonden hat. Im Jahr darauf lieferte eine verbesserte Version des Raytracers und eine detailliertere Modellierung des Satelliten mit einer Genauigkeit von 20 % den Nachweis dafür, dass thermale Rückstoßkräfte Grund der Anomalie sind. Um die Berechnungen weiter zu präzisieren, wurden nun auch der detaillierte Innenaufbau des Satelliten und der Wirkungsgrad der elektrischen Konverter mit einbezogen.

Am 27. März 2011 veröffentlichte ein portugiesisches Team um Frederico Francisco eine Arbeit, in der die obigen Ergebnisse für den letzten Teil der Pioneer-Missionen bestätigt wurden. Sie stützten sich dabei auf ein virtuelles dreidimensionales Computermodell der Satelliten. Jetzt ist eine Arbeit von Benny Rievers und Claus Lämmerzahl in den Annalen der Physik publiziert worden, in der mit ihrem verfeinerten Computermodell der Pioneer-Sonden unter Einbeziehung der Temperaturdaten die gemessene anomale Beschleunigung der komplette Mission vom Start bis heute erklärt werden konnte. Mit dieser Erklärung ist es nun mit größter Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen, dass dieser anomale Effekt Ergebnis einer „neuen Physik“ ist.

Darüber hinaus sind Rievers Berechnungen auf jedes andere Raumfahrzeug übertragbar. So wurde dieses Verfahren auch auf die sogenannte Flyby-Anomalie der Rosetta-Sonde (ein unerklärtes Anwachsen der Geschwindigeit um 3,9 Millimeter pro Sekunde der Rosetta-Sonde beim Vorbeiflug an der Erde) angewendet. Er konnte nachweisen, dass diese Anomalie nicht auf die Auswirkungen von Thermalstrahlung zurück zu führen ist. Damit bleibt die „Flyby-Anomalie“ der Rosetta-Sonde, weiterhin ungeklärt – und damit letztendlich auch die Frage, ob fundamentale Gesetze der Physik möglicherweise doch noch einmal überdacht werden müssen. (Quelle: idw)

Das könnte Sie auch interessieren:

• Wettbewerb im NASA-Forschungszentrum – Wer baut den Aufzug in den Weltraum?
• Weltraumschrott – Gefahr für ISS dementiert
• Überraschender Fund: Satellit entdeckt Antimaterie über Gewitterwolken
• Raumfahrt: Neuer Satellit sucht die Geschwister der Erde
• Neuer Satellit "SDO": Sonnenspäher soll Forscher mit Daten überschütten

In dem 300-seitigen Report legen 18 international führende Hirnforscher, darunter viele Spitzenforscher der Max-Planck-Gesellschaft, ein gemeinsames Werk vor, das die wichtigsten neueren Erkenntnisse ihres Fachgebietes anschaulich und allgemeinverständlich zusammenfasst. Die Autoren schlagen Brücken zwischen Kultur- und Neurowissenschaften, erlauben sich Exkurse in die Geschichte der Hirnforschung und skizzieren Beispiele aus ihrem eigenen Alltagsleben, die die komplexe Funktionsweise des Gehirns erklären. Darüber hinaus wagen sie Prognosen, in welchen Forschungsgebieten demnächst neue Erkenntnisse zu erwarten sind.

So beschreiben Tobias Bonhoeffer vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie und Martin Korte von der TU Braunschweig die neurologischen Grundlagen unserer Erinnerung. Wolfram Schultz, Professor für Neurowissenschaften in Cambridge, erzählt fesselnd, wie Belohnung funktioniert und sich im Gehirn manifestiert. Ute Frevert vom Max-Planck-Institut für Bildungsforschung und Tania Singer vom Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften nehmen sich des schwierigen Themas Empathie an. Der Leser lernt die Zusammenhänge zwischen Hirnprozessen und Erleben, Verhalten und Handeln, aber auch die Notwendigkeit des Schlafes verstehen. Er erhält einen Einblick in die Krankheiten des Gehirns und ebenso einen Ausblick auf mögliche Therapieansätze, etwa in der Stammzellforschung.

Immer wieder überraschend ist die große Bedeutung der Forschungsergebnisse für unseren Alltag und die Beziehungen der Menschen untereinander, die die Autoren geschickt in die jeweiligen Kapitel einfließen lassen. Alles wird anschaulich durch bunte Grafiken und Hintergrundinformationen in zusätzlichen Infokästen gestützt. „Zukunft Gehirn“ ist somit ein ambitioniertes Lehrbuch, das die Vorausschau nicht scheut, aber auch ein leicht zu lesender und kurzweiliger Ausflug in eine spannende, sich rasant entwickelnde Disziplin. (Quelle: idw, Bild: Jens Langner)

Buchtipps:

• Zukunft Gehirn: Neue Erkenntnisse, neue Herausforderungen
• Synthetisches Bewusstsein: Wie Bewusstsein funktioniert und Roboter damit ausgestattet werden können

Das könnte Sie auch interessieren:

• Wir leben in einem Universum der wechselseitigen Beziehungen
• Der neuronale Ursprung des Glaubens.
• Antwort der Wissenschaft zur Frage nach dem Sinn
• Abschied vom Dualismus Geist und Materie
• „Mental Force” ist eine der besten Methode, um bis ins hohe Alter geistig fit zu bleiben

Care-O-bot überreicht ein Getränk an eine Bewohnerin Foto: Fraunhofer IPA

Putzen, Wäsche waschen, Essen zubereiten und servieren, die Wäsche versorgen: Aufgaben, die viele Menschen nicht gerne erledigen oder aufgrund zunehmender körperlicher Gebrechen nicht mehr erledigen können. In Zukunft sollen diese und ähnliche Arbeiten von Servicerobotern übernommen werden. Damit wird nicht nur älteren und pflegebedürftigen Personen länger ein eigenständiges Leben zuhause ermöglicht. Der Einsatz von Servicerobotern in stationären Pflegeeinrichtungen bietet zudem das Potenzial, Pflegekräfte von zeitaufwändigen Routinetätigkeiten zu entlasten. Damit wird diesen mehr Zeit verschafft, sich mit den Bewohnern zu beschäftigen.

Das Fraunhofer IPA befasst sich seit über zehn Jahren mit der Entwicklung eines mobilen Roboterassistenten »Care-O-bot®« zur Unterstützung des Menschen im täglichen Leben. Zukünftig soll älteren und pflegebedürftigen Personen durch den Einsatz solch fortgeschrittener technischer Assistenzsysteme länger ein eigenständiges Leben zuhause er möglicht und somit trotz des erwarteten Pflegenotstands eine angemessene Lebensqualität erhalten werden. Der inzwischen dritte »Care-O-bot®«-Prototyp ist als interaktiver Butler bereits in der Lage, verschiedene Hol- und Bringdienste durchzuführen. »Aufgrund seines produktnahen Designs ist der Roboter besonders gut für die Evaluierung durch potenzielle Endnutzer geeignet«, erläutert Dr. Birgit Graf, die am Fraunhofer IPA die Gruppe Haushalts- und Assistenzrobotik leitet.

In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt »WiMi-Care« wurde Care-O-bot® erstmals in der Interaktion mit älteren und pflegebedürftigen Personen erprobt. Anhand einer Bedarfsanalyse in einer stationären Altenpflegeein richtung wurden zwei Einsatzszenarien für den Roboter identifiziert: die Versorgung der Bewohner mit Getränken und die Nutzung als Unterhaltungsplattform. »Entscheidend für die Auswahl der Szenarien war, dass der Roboter den Pflegekräften mehr Zeit verschafft, um sich mit den Bewohnern zu beschäftigen«, meint Graf.

In zwei Praxistests mit Pflegekräften und Senioren musste sich der Roboter in diesen Anwendungen bewähren. »Ziel für die zweite Testphase war es, die ausgewählten Einsatzszenarien auf dem Care-O-bot® so umzusetzen, dass dieser von den Pflegekräften gesteuert und somit im Rahmen ihrer täglichen Arbeit eingesetzt werden kann«, so Graf. Dabei wurden die einfache Bedienung des Roboters durch die Pflegekräfte, der Nutzen durch den Robotereinsatz und die Akzeptanz durch die Bewohner evaluiert.

Für die Versorgung der Bewohner mit Getränken ist Care-O-bot® mit Hilfe seines Roboterarms in der Lage, selbstständig Becher an einem Wasserspender zu befüllen und diese den Bewohnern auf seinem Tablett zu servieren. Die Anbindung einer Bewohnerdatenbank ermöglicht es dem Roboter, die einzelnen Bewohner der Station zu identifizieren. Auf Basis des ebenfalls in der Datenbank verfügbaren Trinkprotokolls steuert der Roboter während seiner Fahrt durch die Station

speziell die Personen an, die noch nicht genug getrunken haben. »Durch die gezielte Ansprache der Bewohner und aktives Nachhaken konnten wir sicherstellen, dass die Bewohner die Getränke nicht nur nehmen, sondern auch davon trinken«, so Fraunhofer-Forscher Theo Jacobs, der die Praxistests vor Ort begleitet hat.

Beim Einsatz als Unterhaltungsplattform können auf dem Touchscreen des Roboters Gesellschaftsspiele oder Programme zum Gedächtnistraining gestartet, Musik abgespielt oder Gedichte vorgelesen werden. Die Kommandierung des Roboters durch die Pflegekräfte erfolgt mit Hilfe einer speziell entwickelten graphischen Benutzeroberfläche. »Mit wenigen Klicks kann eine Pflegekraft Care-O-bot® dort seine Aufträge für den Tag erteilen – und sich dann weiter den Bewohnern widmen«, so Jacobs.

Während der Testphase wurde der Roboter an drei aufeinanderfolgenden Tagen vormittags und nachmittags jeweils für ein bis zwei Stunden eingesetzt. Berührungsängste mit dem Roboter gab es – wie schon während der ersten Praxisevaluierung – nicht. »Die Bewohner haben Care-O-bot® neugierig begutachtet und fanden es spannend, ihm bei der Arbeit zuzusehen. Auf der Demenzstation haben einige Bewohner den Roboter sogar richtig ins Herz geschlossen«, berichtet Jacobs. Auch die Pflegekräfte können sich gut vorstellen, in Zukunft mit einem Serviceroboter zusammenzuarbeiten.

Die Entwicklung des Care-O-bot® wird am Fraunhofer IPA auch über das Projektende von WiMi-Care hinaus fortgesetzt. Im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte werden insbesondere die Fähigkeiten des Roboters zur Unterstützung älterer Personen im häuslichen Umfeld kontinuierlich erweitert und erprobt. Das von der EU geförderte Projekt SRS (Multi Role Shadow Robotic System for Independent Living) nutzt dabei die Möglichkeit, den Roboter über Angehörige fernzusteuern, um so dessen Einsatzfelder zu erweitern. Damit die Verständigung zwischen Mensch und Roboter auch in einer intuitiven und sozial verträglichen Weise erfolgt, sollen im EU-Projekt Accompany (Acceptable robotiCs COMPanions for AgeiNg Years) neue Schnittstellen und Komponenten zur Benutzerinteraktion entwickelt werden. Auch in diesen beiden Projekten sind umfangreiche Praxistests geplant, um den Roboter ständig entsprechend der Anforderungen der Nutzer weiterentwickeln zu können.

Doch es genügt nicht, nur den Roboter allein zu betrachten. »Um die Robotertechnologie in echte Applikationen zu überführen, wird es in Zukunft insbesondere wichtig sein, den Roboter nicht als einzelnes System zu betrachten, sondern als Teil eines Gesamtszenarios, eingebettet in ein umfassendes Dienstleistungskonzept«, erläutert Ulrich Reiser, der am Fraunhofer IPA die Entwicklung von Care-O-bot® koordiniert. Im vom Bundesministeriums für Bildung und Forschung geförderten ProjektTech4P werden deshalb Strategien entwickelt, wie personenbezogene Dienstleistungen durch den Einsatz von Robotertechnologie unterstützt werden können. »Diese Gesamtsicht schließt unter anderem die Möglichkeit mit ein, dass die Roboter gezielt an eine spezielle Applikation angepasst werden«, so Reiser weiter. »Nichtsdestotrotz ist der alltagstaugliche Alleskönner weiterhin unser ultimatives Entwicklungsziel.«

Buchtipp:
Synthetisches Bewusstsein: Wie Bewusstsein funktioniert und Roboter damit ausgestattet werden können

Das könnte Sie auch interessieren:

• Großes Potential für Haushaltsroboter
• WM-Sieg des deutschen Robo-Fußballteams
• Wie unser Gehirn ungeheuer komplexe Aufgaben löst.
• Bewusstseinsrätsel gelöst?
• Assistenzsysteme auf der Agenda der Logistikbranche

Bewusstsein galt bisher als eines der größten Rätsel der Welt. Ist es eine von Materie unabhängige Geistsubstanz, oder ist es eine Eigenschaft der Materie? Jetzt wurde wohl das Rätsel gelöst und ein synthetisches Bewusstsein erzeugt.

Heute ist es möglich, dem Gehirn praktisch online beim Denken zuzuschauen. Seine Geheimnisse werden Stück für Stück entblättert. Farbige Lichter der aktiven Regionen blitzen auf Beobachtungsschirmen auf, wenn die Versuchspersonen ihre Gedanken schweifen lassen.

Doch gleich, an welcher Stelle die Gedanken ihre Strahlung entfalten, keine der aktiven Regionen kann eindeutig dem Ort des Bewusstseins zugeordnet werden. Bewusstsein zeigt sich nach Überzeugung der meisten Wissenschaftler im Zusammenhang mit der im Gehirn überall stattfindenden Informationsverarbeitung. Und niemand wird heute ernsthaft bestreiten wollen, dass das Gehirn zur Verarbeitung all jener Informationen dient, die zum Input oder Output lebender Systeme gehören.

Information ist bekanntlich übertragbar.

Beispielsweise kann die Information eines elektronisch gespeicherten Emails mit Hilfe eines Druckers auf den Informationsträger Papier übertragen werden. Wenn man nun davon ausgeht, dass das Gehirn ein Trägermedium übertragbarer Information ist, Bewusstsein aber kein solcher Träger, weil es sich an keinem bestimmten Ort lokalisieren lässt, dann muss Bewusst­sein selbst Teil der Informationsverarbeitung, nämlich ein informationsverarbeitender Prozess sein.

Die Software eines informationsverarbeitenden Prozesses kann genauso wie sonstige Information auf andere Trägersysteme übertragen werden und zusammen mit der neuen Hardware wieder einen informationsverarbeitenden Prozess bilden. Das wurde nun ausgenutzt für den Bau eines kleinen Roboters mit synthetischem Bewusstsein.

Tolmans Experiment

Ob sich im Verhalten des Roboters tatsächlich Bewusstsein zeigt, wurde anhand von Tolmans Experiment von 1948 getestet. Der amerikanische Psychologe und Verhaltensforscher Tolman (1886-1959) wollte untersuchen, wie sich Ratten in einem einfachen Labyrinth verhalten. Das Labyrinth hatte die Form des Großbuchstabens E. Am Ende des unteren Schenkels befand sich eine schmale schwarze Box am oberen eine geräumige weiße Kiste. In beide Behältnisse legte Tolman eine kleine Futtermenge. Der Zugang zum Labyrinth erfolgte über den mittleren Balken der E-Form.
Am ersten Tag des Experiments ließ Tolman die Ratte das Labyrinth erkunden. Das tat sie, indem sie sich im Zickzack die Wege entlang tastete. Schließlich wurde sie durch das aufgefundene Futter in der weißen Kiste und ebenso in der schwarzen Box belohnt. Die Erfahrung lehrt, dass Ratten unter sonst gleichen Bedingungen es vorziehen, sich in engen dunklen Räumen aufzuhalten. Und tatsächlich, am Ende ihres Erkundungsgangs ruhte sich die Ratte in der engen Box aus.

Am Folgetag setzte Tolman die Ratte in die vom Labyrinth getrennte weiße Kiste zusammen mit einer kleinen Futtermenge. Nachdem die Ratte das Futter vertilgt hatte, setzte er sie in die ebenfalls vom Labyrinth getrennte schwarze Box und versetzte ihr einen Stromschlag. Dann brachte er sie zurück in ihren Käfig.
Am dritten Tag setzte Tolman das Tier wieder am Eingang des Labyrinths ab und war gespannt, wie es sich verhalten würde.
Für das Verhalten der Ratte gab es verschiedene Möglichkeiten. Sie hätte wie am ersten Tag das Labyrinth durchlaufen und sich an beiden Enden jeweils die kleine Futtermenge abholen können. Die zweite Möglichkeit: Sie hätte sich an den von ihr bevorzugten Ort im Labyrinth erinnern und die schmale schwarze Box direkt ansteuern können.
Nichts dergleichen tat die Ratte. Sie steuerte vielmehr direkt auf die große weiße Kiste am oberen Ende des Labyrinths zu, vertilgte die kleine Futtermenge und machte keine Anstalten, sich die zweite Futterration aus der schwarzen Box zu holen.

Es blieb Tolman nichts anderes übrig, als davon auszugehen, dass die Ratte die geistige Fähigkeit aufwies, solche Handlungsschritte vorwegzunehmen, die ihr zur Erreichung ihrer Bedürfnisse notwendig erschienen. Ihre Ziele waren wohl die Vermeidung eines schmerzhaften Stromschlags und das Auffinden von Futter. Sie traf am dritten Tag eine ‘vernünftige’ Entscheidung. Ihr Verhalten zeigte die Schlüsselmerkmale für Bewusstsein. Unter anderem ist es die Aufgabe des Bewusstseins Verhaltensalternativen zu finden und sich für ein Verhalten zu entscheiden, das die Bedürfnisse optimal befriedigt.

Im Wissen darum, dass Bewusstsein ein informationsverarbeitender Prozess ist, der bei neuen Anforderungen oder geänderten äußeren Umständen nicht determinierte Entscheidungen zwischen Handlungsalternativen trifft, die dann zu zielgerichtetem Verhalten zur Befriedigung von Bedürfnissen führen, konnte ein kleiner Roboter mit synthetischem Bewusstsein ausgestattet werden. Dieses gleicht in entsprechender Situation dem natürlichen. Der Roboter wurde mit den gleichen Bedürfnissen ausgestattet, wie sie Tolmans Ratte hatte. Sein Verhalten wurde im E-Labyrinth überprüft. Und tatsächlich, er zeigt genauso ein Verhalten und die gleichen Schlüsselmerkmale für Bewusstsein wie das Tier. Es gibt deshalb keinen vernünftigen Grund, warum man diesem Roboter nicht zugestehen sollte, Bewusstsein zu zeigen.

Zukünftige Anwendungen

Wo kann man ein synthetisches Bewusstsein praktisch einsetzen? In Zukunft werden mehr Roboter benötigt, sei es in der Pflege von Alten und Kranken, beim Empfang von Kunden oder in der Fabrikhalle. Dabei kann es nicht ausbleiben, dass die Roboter immer wieder mit neuen Anforderungen oder geänderten äußeren Umständen konfrontiert werden, auf die sie keine passende Antwort wissen oder für die sie keine passenden Verhaltensweisen gespeichert haben. Hier wäre es nützlich, wenn sie ein synthetisches Bewusstsein besäßen. Dann könnten sie neue Handlungsalternativen finden und sich frei für diejenige entscheiden, welche die Bedürfnisse optimal befriedigt.

Wären die von Autopiloten gesteuerten Passagierjets mit synthetischem Bewusstsein ausgestattet, dann hätten solche Abstürze vermieden werden können, die auf defekte Messinstrumente zurückzuführen sind. Denn der Selbsterhalt des eigenen Systems gehört zum wichtigsten Bedürfnis eines Bewusstseins. Ein synthetisches Bewusstsein hätte sich zuallererst für ein Verhalten entschieden, welches den Erhalt des Flugzeugs gesichert hätte, anstatt automatisch auf die falschen Werte der defekten Instrumente zu reagieren und dadurch den Absturz herbeizuführen. (Klaus-Dieter Sedlacek; Foto: Trägersystem für synthetisches Bewusstsein: Mit Sensoren und Bedürfnissen ausgestatteter Tribot-Roboter)

Buchtipp:

Synthetisches Bewusstsein: Wie Bewusstsein funktioniert und Roboter damit ausgestattet werden können

Das könnte Sie auch interessieren:

• WM-Sieg des deutschen Robo-Fußballteams
• Wie unser Gehirn ungeheuer komplexe Aufgaben löst.
• Soziale Serviceroboter im Praxistest
• Großes Potential für Haushaltsroboter
• Welt der Zukunft: Roboter auf dem Richterstuhl?

Beim RoboCup 2011, der am Sonntag in Istanbul zu Ende ging, konnten die Fußballroboter vom Team NimbRo der Universität Bonn ihren Weltmeistertitel in der TeenSize-Klasse der Humanoid-Liga verteidigen. Auch die Serviceroboter gewannen in der @Home-Liga mit klarem Vorsprung.

Nachdem die deutschen Fußballfrauen bei der FIFA-WM gegen Japan ausgeschieden sind, war es nun an humanoiden Fußballrobotern, ihren Weltmeistertitel zu verteidigen. Die Roboter Dynaped und Bodo des Bonner Teams NimbRo trafen am Sonntag im Finale des RoboCup 2011 in Istanbul auf das Team KMUTT aus Thailand. Die Bonner Roboter waren dem Gegner klar überlegen. Obwohl der thailändische Torwart viele Schüsse halten konnte, erzielte der Bonner Feldspieler Dynaped Tor um Tor. Nach einem Halbzeitstand von 6 : 0 endete das Finale vorzeitig beim Stand von 10 : 0 für NimbRo.

Auch die Bonner Haushaltsroboter konnten sich in der @Home-Liga gegen eine starke Konkurrenz durchsetzen. Die Roboter Dynamaid und Cosero gingen schon beim ersten Test in Führung. NimbRo punktete in fast allen Tests der Vor- und Zwischenrunde und ging so mit einem komfortablen Vorsprung ins Finale. Dort stellte Cosero unter Beweis, dass er sogar einen Tisch mit einem Menschen tragen kann. Der Benutzer gab dabei die Richtung vor und führte den Roboter intiutiv durch Drücken und Ziehen am anderen Ende des Tisches. Dass er ein prima Helfer im Haushalt sein kann zeigte Cosero, indem er ein Omelett in einer Pfanne zubereitete. Dynamaid holte ein Getränk aus dem Kühlschrank. Dies überzeugte die internationale Experten-Jury. NimbRo gewann mit Abstand vor dem chinesischen Team WrightEagle.

In der @Home-Liga mussten die Roboter zeigen, dass sie im Haushalt wichtige Aufgaben erfüllen können, etwa Personen und Objekte zu erkennen sowie Gesten richtig zu interpretieren. 19 Teams aus 14 Ländern traten in Istanbul in dieser Disziplin an. Bei den Fußballwettbewerben in der Humanoid-Liga des RoboCup geht es dagegen darum, mit Hilfe von Kameras die Spielsituation zu erfassen und im Team darauf zu reagieren. Herausforderung sind etwa auch die zügige Fortbewegung auf zwei Beinen und die Balance beim Schuss.

„Besonders freut mich der erstmalige Gewinn der @Home-Liga“, sagt Professor Dr. Sven Behnke, dessen Arbeitsgruppe Autonome Intelligente Systeme am Institut für Informatik VI die menschenähnlichen Fußballroboter und Serviceroboter entwickelt. In dieser Liga werden Technologien ersonnen, die in Zukunft dazu beitragen können, dass ältere oder hilfsbedürftige Menschen länger selbstbestimmt in der eigenen Wohnung leben können.

Die internationalen Wettbewerbe, die jährlich von der RoboCup-Federation veranstaltet werden, bringen tausende Forscher aus den Gebieten Künstliche Intelligenz und Robotik zusammen. Insgesamt nahmen in Istanbul über 400 Teams mit mehr als 2 800 Personen aus aller Welt in unterschiedlichen Ligen teil. Der Wettbewerb erlaubt den Wissenschaftlern den direkten Vergleich unterschiedlicher Ansätze in der Roboterkonstruktion, in der Umgebungswahrnehumg und der Verhaltenskontrolle. Im Anschluss findet ein wissenschaftliches Symposium statt, das den Austausch der besten Ideen fördert. (Quelle: idw, Foto oben: Im Finale spielt das Bonner Team NimbRo gegen KMUTT aus Thailand. (c) Uni Bonn ; Foto mitte: Service-Roboter Cosero von der Universität Bonn backt in einer Pfanne ein Omelett. (c) Uni Bonn)

Buchtipp:
Synthetisches Bewusstsein: Wie Bewusstsein funktioniert und Roboter damit ausgestattet werden können

Das könnte Sie auch interessieren:

• Großes Potential für Haushaltsroboter
• Soziale Serviceroboter im Praxistest
• Der neuronale Ursprung des Glaubens.
• Bewusstseinsrätsel gelöst?
• Wie unser Gehirn ungeheuer komplexe Aufgaben löst.

In den nächsten Jahren werden Haushaltsroboter und automatisierte Lösungen für ältere Menschen zunehmend in die Haushalte einziehen und auch Pflegeaufgaben übernehmen. Deutschland eröffnen sich hierdurch aufgrund seiner guten Position in der Industrierobotik und Automation sowie anderen Basistechnologien große Potentiale auf dem Weltmarkt.

Dies sind Ergebnisse der neuen VDE-Studie „Mein Freund der Roboter“, die der Verband in München vorstellte. „Unsere Experten erwarten im Bereich Servicerobotik attraktive ökonomische Wachstumsraten, die zu neuen Arbeitsplätzen führen“, so VDE-Präsidiumsmitglied Dr.-Ing. Kurt Bettenhausen. Zum anderen trügen Serviceroboter dazu bei, die Herausforderungen des demografischen Wandels erfolgreich zu meistern und die Lücke zwischen einer kontinuierlich alternden Bevölkerung, einer rückläufigen Erwerbsbevölkerung und einem Mangel an Pflegekräften zu schließen.

Vor allem im Bereich der Rehabilitationsrobotik, wie zum Beispiel intelligente Rollstühle, kleine Roboterarme oder neuartige Beinprothesen erwartet der VDE in naher Zukunft große Fortschritte. Sie ermöglichen es heute schon alten, kranken oder behinderten Menschen, verlorene Mobilität und Selbständigkeit zurückzugewinnen. Einen kommenden Boom sieht der Verband in der Entwicklung von menschenähnlichen Robotern (Humanoide) als Haushaltshelfer für komplexe Aufgaben oder als persönlicher Assistent für ältere Menschen. „Bisher haben nur wenige Firmen in Japan, Korea und China erste humanoide Roboter auf den Markt gebracht. Wir erwarten jedoch für die nächsten zehn Jahre erhebliche Zuwachsraten in diesem Segment“, so Bettenhausen weiter. Gegenwärtig stammen zahlreiche Serviceroboter für den Privatbereich aus Asien.

Senioren ziehen Roboter dem Altenheim vor
Roboter sollen, so die Vision, gemeinsam mit den älteren Menschen den Alltag bewältigen und sie dabei unterstützen, länger möglichst eigenständig zu leben. Aber werden Serviceroboter von Senioren überhaupt akzeptiert? Der VDE-Studie zufolge steht die Mehrheit der Senioren (56 Prozent) Servicerobotern positiv gegenüber. 50 Prozent der Pflegekräfte befürworten den Einsatz von Robotern im privaten Bereich. Am beliebtesten sind Haushaltsroboter wie Staubsauger- und Wischroboter, aber auch futuristische Anwendungsszenarien wie der „roboterisierte Rollstuhl“. Allerdings zeigt die VDE-Studie auch, dass das gesellschaftliche und technologiepolitische Bekenntnis zum „Freund Roboter“ noch nicht so klar ausfällt wie in asiatischen Ländern, etwa Südkorea oder Japan. So lehnen 40 Prozent der Senioren die Servicerobotik im Alltag spontan ab. 60 Prozent der befragten Senioren empfinden Robotik als „unheimlich“.

Der Wunsch nach einer selbständigen Lebensführung ist jedoch ein starker Faktor für die Akzeptanz. So erreichte das futuristische Anwendungsszenario „roboterisierter Rollstuhl“ einen der höchsten Rankingplätze, obwohl die Vorbehalte gegenüber Systemen, die direkt mit den Menschen kommunizieren, kooperieren oder sie sogar berühren, am stärksten ausgeprägt sind. Der Nutzen – Mobilität, Orientierung, Unabhängigkeit, Selbständigkeit, Schutz der Intimsphäre – wird in diesen Fällen höher bewertet als die damit verbundenen akzeptanzhemmenden Faktoren. Die überwiegende Mehrheit der Befragten würde einen Serviceroboter zu Hause der Alternative Altenheim vorziehen. Am beliebtesten sind Roboter, die abgrenzbare Tätigkeiten im Haushalt autonom erledigen, insbesondere Staubsauger- und Wischroboter. Im Mittelfeld liegen die Szenarien „gesundheitliches Monitoring“, „Fitness-Coach“ und „Kommunikation und Anregung“, gefolgt von Fensterputz-Robotern, Therapieanwendungen und humanoiden Haushaltsrobotern für komplexe Tätigkeiten. (Quelle: idw; Foto: cc-by-sa Manfred Werner – Tsui)

Buchtipp:

• VDE-Studie „Mein Freund der Roboter“ im VDE-Verlag  29 Euro. Herausgeber ist die BMBF/VDE Innovationspartnerschaft AAL (Ambient Assisted Living). Autorin ist Dr. Sybille Meyer, SIBIS GmbH – Institut für Sozialforschung, Berlin.
• Synthetisches Bewusstsein: Wie Bewusstsein funktioniert und Roboter damit ausgestattet werden können

Das könnte Sie auch interessieren:

• Soziale Serviceroboter im Praxistest
• WM-Sieg des deutschen Robo-Fußballteams
• Der neuronale Ursprung des Glaubens.
• Brennstoffzellenautos – Totgesagte leben länger
• Wir leben in einem Universum der wechselseitigen Beziehungen