Kosmische Strahlung: Der Teilchenregen aus dem All

Was ist kosmische Strahlung?

Der Name führt in die Irre: Kosmische Strahlung ist keine elektromagnetische Strahlung wie Licht oder Röntgenstrahlung, sondern ein Strom elektrisch geladener Teilchen, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus dem Weltall auf die Erde treffen. Die Zusammensetzung der primären kosmischen Strahlung ist gut vermessen:

Der deutsche Begriff „Höhenstrahlung“ stammt aus der Frühzeit der Forschung, als man nur wusste, dass die Strahlung mit der Höhe zunimmt; den Namen „cosmic rays“ prägte der amerikanische Physiker Robert Millikan erst 1925. Heute unterscheidet man solare kosmische Strahlung von der Sonne, galaktische aus unserer Milchstraße und extragalaktische Teilchen aus fremden Galaxien – Letztere tragen die höchsten Energien.

• rund 90 Prozent Protonen (Wasserstoffkerne)
• etwa 9 Prozent Heliumkerne (Alphateilchen)
• rund 1 Prozent schwerere Atomkerne – bis hin zu Eisen
• dazu ein kleiner Anteil Elektronen und Positronen

Victor Hess und die Entdeckung der Höhenstrahlung

Am 7. August 1912 stieg der österreichische Physiker Victor Franz Hess mit einem Wasserstoffballon auf 5.350 Meter. An Bord: Elektroskope, die die Ionisation der Luft maßen. Die Erwartung der Zeit lautete, die Strahlung müsse mit wachsendem Abstand vom Erdboden – dem vermuteten Sitz aller Radioaktivität – abnehmen. Hess maß das Gegenteil: Oberhalb von etwa 1.000 Metern stieg die Ionisation an, in gut 5.000 Metern war sie rund doppelt so hoch wie am Boden.

Seine Schlussfolgerung: Eine Strahlung von enormer Durchdringungskraft dringt von oben in die Atmosphäre ein. Ein früherer Ballonflug während der Sonnenfinsternis im April 1912 hatte bereits gezeigt, dass die Sonne nicht die Hauptquelle sein konnte – bei verdeckter Sonne schwächte sich das Signal nicht ab. Werner Kolhörster bestätigte die Messungen bis in 9.300 Meter Höhe. 1936 erhielt Hess für die Entdeckung der kosmischen Strahlung den Physik-Nobelpreis.

Luftschauer: Wenn kosmische Strahlen auf die Atmosphäre treffen

Praktisch kein primäres Teilchen der kosmischen Strahlung erreicht den Erdboden. In 15 bis 20 Kilometern Höhe kollidiert es mit dem Atomkern eines Luftmoleküls und löst eine Kaskade aus – einen Luftschauer. Dabei entstehen vor allem Pionen: Neutrale Pionen zerfallen in Gammaquanten, die Lawinen aus Elektronen und Positronen nach sich ziehen; geladene Pionen zerfallen in Myonen und Neutrinos. Ein einziges Primärteilchen hoher Energie erzeugt so Milliarden Sekundärteilchen, deren Front sich am Boden über mehrere Quadratkilometer verteilen kann.

Auf Meereshöhe kommt vor allem eines an: Myonen – etwa eines pro Quadratzentimeter und Minute. Dass sie den Boden überhaupt erreichen, liegt an der relativistischen Zeitdilatation: Mit einer Lebensdauer von nur 2,2 Mikrosekunden dürften Myonen eigentlich im Mittel nur rund 660 Meter weit kommen; weil sie fast lichtschnell fliegen, tickt ihre innere Uhr aus unserer Sicht langsamer. Daneben entstehen in jedem Luftschauer atmosphärische Neutrinos – flüchtige Teilchen, die sich nur mit riesigen Detektoren nachweisen lassen, etwa über Szintillatoren oder Tscherenkow-Licht in unterirdischen Wassertanks.

Das Energiespektrum: vom Alltagsproton zum Oh-My-God-Teilchen

Die Energien kosmischer Strahlung überspannen mehr als elf Größenordnungen. Die meisten Teilchen tragen Energien von einigen Milliarden Elektronenvolt (10⁹ eV). Je höher die Energie, desto seltener das Teilchen: Am „Knie“ des Spektrums bei etwa 3×10¹⁵ eV und am „Knöchel“ bei rund 5×10¹⁸ eV ändert sich die Steigung – vermutlich Übergänge zwischen galaktischen und extragalaktischen Quellen.

Den Rekord hält das „Oh-My-God-Teilchen“: Am 15. Oktober 1991 registrierte das Fly’s-Eye-Observatorium in der Wüste Utahs ein Teilchen mit etwa 3,2×10²⁰ eV – rund 51 Joule. Ein einzelnes subatomares Teilchen trug damit die Bewegungsenergie eines Tennisballs bei rund 150 km/h. Solche Ereignisse sind extrem selten: Oberhalb von 10²⁰ eV trifft im Schnitt weniger als ein Teilchen pro Quadratkilometer und Jahrhundert ein. Deshalb überwacht das Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien eine Fläche von 3.000 Quadratkilometern.

Woher kommt kosmische Strahlung? Quellen zwischen Supernova und Schwarzem Loch

Für den galaktischen Anteil gelten Supernova-Überreste als gesicherte Quelle: In den expandierenden Stoßwellen explodierter Sterne werden geladene Teilchen über Jahrtausende immer weiter beschleunigt (Fermi-Beschleunigung). 2013 wies das Fermi-Gammateleskop in den Überresten IC 443 und W44 die charakteristische Signatur zerfallender Pionen nach – der direkte Beleg, dass dort tatsächlich Protonen beschleunigt werden.

Bei den höchsten Energien ist die Herkunft dagegen eine offene Forschungsfrage. Hauptverdächtige sind aktive Galaxienkerne, in denen supermassereiche Schwarze Löcher Materieströme auf nahezu Lichtgeschwindigkeit bringen. 2017 gelang ein Indizienbeweis: Das IceCube-Observatorium am Südpol verfolgte ein hochenergetisches Neutrino bis zum rund vier Milliarden Lichtjahre entfernten Blazar TXS 0506+056 zurück. Das Grundproblem: Galaktische Magnetfelder verwirbeln die Bahnen geladener Teilchen, sodass ihre Ankunftsrichtung nicht zur Quelle zurückzeigt. Neutrinos fliegen dagegen schnurgerade – und werden so zu Wegweisern der Astroteilchenphysik.

Kosmische Strahlung im Alltag: Flugdosis, Bitflips und Radiokarbonmethode

So fern die Quellen sind, so konkret sind die Auswirkungen auf der Erde:

• Strahlendosis beim Fliegen: In 11 Kilometern Reiseflughöhe liegt die Dosisleistung bei etwa 5 Mikrosievert pro Stunde – ein Vielfaches des Bodenwerts. Fliegendes Personal sammelt im Schnitt rund 2 Millisievert pro Jahr und zählt in Deutschland zu den am höchsten beruflich strahlenexponierten Gruppen; die Dosis wird gesetzlich überwacht.
• Bitflips in Elektronik: Trifft ein Sekundärteilchen eine Speicherzelle, kann ein Bit kippen (Single Event Upset). Bei einer belgischen Wahl 2003 erhielt eine Kandidatin exakt 4.096 Stimmen zu viel – ein kosmisch ausgelöster Bitflip gilt als plausibelste Erklärung. Satelliten und Rechenzentren schützen sich mit fehlerkorrigierendem Speicher.
• Radiokarbonmethode: Sekundäre Neutronen der kosmischen Strahlung verwandeln Stickstoff-14 in der Hochatmosphäre in radioaktives Kohlenstoff-14. Ohne Höhenstrahlung gäbe es keine C-14-Datierung – Archäologie und Klimaforschung verdanken ihr eine Uhr, die Jahrtausende zurückreicht.

Atmosphärische Neutrinos – und was die Neutrinovoltaik-Forschung daraus lernt

Die vielleicht folgenreichste Hinterlassenschaft der kosmischen Strahlung sind ihre Neutrinos. 1998 verglich der japanische Super-Kamiokande-Detektor atmosphärische Neutrinos von oben mit solchen, die zuvor die ganze Erde durchquert hatten – und fand ein Defizit, das sich nur durch Neutrino-Oszillation erklären ließ. Die Konsequenz: Neutrinos haben Masse. Diese Entdeckung wurde 2015 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet und zeigte, dass das Standardmodell der Teilchenphysik unvollständig ist. 2017 belegte zudem das COHERENT-Experiment, dass Neutrinos beim Streuen an Atomkernen messbaren Impuls übertragen.

An dieser Stelle setzt die Arbeit der Neutrino Energy Group an, einer 2008 von Holger Thorsten Schubart gegründeten Forschungsorganisation mit Sitz in Berlin. Sie untersucht im Rahmen der Neutrinovoltaik, ob sich der allgegenwärtige Umgebungsfluss – Neutrinos, kosmische und thermische Strahlung, elektromagnetische Felder – über patentierte Vielschichtstrukturen aus Graphen und dotiertem Silizium (Patentanmeldung WO2016142056A1) in elektrische Spannung umsetzen lässt. Die Fragestellung knüpft an reale Befunde an, etwa an Paul Thibados Nachweis von 2020, dass die thermische Knitterbewegung freistehenden Graphens Ladungsverschiebungen antreiben kann. Wichtig ist die ehrliche Einordnung: Das ist Grundlagen- und Entwicklungsarbeit, kein kaufbares Produkt – und Energy Harvesting dieser Art liefert nach heutigem Stand Leistungen im Mikro- bis Milliwattbereich, nicht mehr. Einen Überblick über das Forschungsfeld geben unsere Seiten zu neuen Energietechnologien und Innovationen bei erneuerbaren Energien.