Blitzforschung mit Leitungen von Lapp Naturphänomenen auf der Spur

Die Forschungsteams vom Astronomischen Observatorium der Jagiellonen Universität und der Fakultät für Elektronik der AGH Universität für Wissenschaft und Technologie in Krakau will der Ursache von Blitzen genau auf den Grund gehen.
Die Forschungsteams vom Astronomischen Observatorium der Jagiellonen Universität und der Fakultät für Elektronik der AGH Universität für Wissenschaft und Technologie in Krakau wollen der Ursache von Blitzen genau auf den Grund gehen.

Gewitterblitze – ein ebenso gewaltiges wie relativ wenig erforschtes Naturphänomen. Zwei Hochschulen im polnischen Krakau wollen das ändern. Ihr World ELF Radiolocation Array (WERA) empfängt die elektromagnetischen Wellen von Blitzen mit extrem niedrigen Frequenzen.

Das Kürzel ELF steht für Extremely Low Frequencies. Gemeint sind damit  elektromagnetische Wellen mit Frequenzen unter 30 Hertz. Wellen mit höheren Frequenzen sind bekannt vom analogen Radio. So finden sich Dutzende von Radiosendern in dem Frequenzband zwischen 87,5 und 108 Megahertz, der Ultrakurzwelle oder UKW. Bis vor wenigen Jahren waren auch noch Radio-Übertragungsbänder mit noch niedrigeren Frequenzen üblich: Kurzwelle, Mittelwelle und Langwelle; letztere mit Frequenzen zwischen 30 und 300 Kilohertz.

Darunter liegen die sogenannten Very, Ultra, Super und – noch tiefer – die Extremely Low Frequencies (ELF). Frequenzen, die bei der Erforschung von Gewitterblitzen eine Rolle spielen. Denn Blitze erzeugen kurze ELF-Pulse, die sich mit entsprechenden Antennen empfangen lassen.

Die Welle im Tunnelblick

ELF-Wellen haben eine immense Reichweite, bedingt durch ihre sehr großen Wellenlängen. Die Wellenlänge eines Signals mit 7,8 Hertz zum Beispiel entspricht etwa dem Erdumfang. Die Ionosphäre, eine Schicht der Atmosphäre mit elektrisch geladenen Partikeln und die Oberfläche der Erde bilden bei der Ausbreitung von ELF-Signalen eine Art Tunnel, durch den sich diese Wellen bewegen. Dadurch können sie sogar mehrfach um die Erde laufen.

Außerdem lassen sich ELF-Signale noch bis zu 300 Meter unter Wasser empfangen – anders als  Radiofrequenzen, die von Wasser blockiert werden. Deshalb nutzen etwa Russland, Indien und China ELF-Sender für ihre Kommunikation mit U-Booten. Sie nehmen dabei in Kauf, dass die mit ELF-Sendern übertragbaren Datenraten sehr niedrig sind.

Blitze bis zu 100 Kilometer hoch

Das World ELF Radiolocation Array WERA dient ausschließlich zivilen Zwecken. Das Forschungsprojekt startete vor rund 15 Jahren und wird betrieben vom Astronomischen Observatorium der Jagiellonen Universität und von der Fakultät für Elektronik der AGH Universität für Wissenschaft und Technologie in Krakau. Um die Natur der Blitze und andere Naturphänomene zu erforschen, nutzen auch die dortigen Wissenschaftler die Reichweite der ELF-Impulse. Denn dadurch sind sie in der Lage, die Signale von Gewitterblitzen weltweit zu empfangen. So können die Forscherinnen und Forscher zum Beispiel sogenannte Sprites studieren – das sind Blitze, die nach oben schlagen und bis in 100 Kilometer Höhe erreichen.

Existenz von Gravitationswellen bewiesen

Die polnischen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler messen die elektrischen Entladungen in der Atmosphäre und ordnen sie in ihre Forschungsszenarien ein. Unter anderem unterstützen sie damit Forscherinnen und Forscher, die den Einfluss von Sonneneruptionen und Röntgenstrahlung aus dem All untersuchen. Außerdem ist WERA an der Erforschung elektromagnetischer Störungen an den Gravitationswellendetektoren LIGO in den USA und VIRO in Italien beteiligt. Mit diesen Detektoren konnte unlängst die Existenz von Gravitationswellen bestätigt werden.

Wichtig für die Forschungsergebnisse ist, dass sich die empfangenen Signale möglichst genau orten lassen. Dazu müssen mehrere Messstationen zusammenwirken. WERA arbeitet mit drei solchen Stationen: in Rio Gallegos (Argentinien), in den Bieszczady-Bergen (Polen) und in Colorado (USA). Sie befinden sich in dünn besiedelten Gebieten, fernab von technischen Einrichtungen, um zu verhindern, dass Fremdsignale die empfindlichen Antennen stören.

Sehr dünne und biegsame Kabel trotz eiskalter Temperaturen

Die Messstationen müssen möglichst autonom arbeiten. Denn Ausfälle zu beheben ist aufwändig und teuer. Deshalb legen die Wissenschaftler in Krakau großen Wert auf Qualität und Zuverlässigkeit ihrer Komponenten, wie die Leitungen von Lapp.

Das Empfangsmodul der Station in Argentinien etwa ist mit Unitronic LiYCY und Unitronic LiFYCY (TP) Leitungen verkabelt. Beide Kabel sind besonders geeignet für die Niederfrequenz-Datenübertragung in Anlagen, in denen es eng zugeht. Feinstdrähtige Litzen und Paarverseilung (TP-Variante) machen die Kabel sehr dünn und biegsam. Bei fester Verlegung erlaubt die Unitronic LiFYCY (TP) einen engen Biegeradius vom lediglich Vierfachen ihres Außendurchmessers. Dennoch halten die Leitungen bei fester Installation Temperaturen bis zu -40 °C aus. Hinzu kommt die Abschirmung. Die Paarverseilung verringert bei der TP-Variante das Übersprechen von Signalen zwischen den Stromkreisen.

Ausgesprochen robust und abgeschirmt ist auch die Steuerleitung Ölflex Robust 215C. Sie verbindet die Elektronik und die Antennen in der Station in Argentinien. Dabei darf die Leitung nicht selbst als Antenne wirken und elektromagnetische Signale auffangen oder aussenden. Die Ölflex Robust 215C ist witterungsbeständig, ozon- und UV-beständig und eignet sich bei fester Verlegung für einen großen Temperaturbereich von -50 °C bis 80 °C. Außerdem ist sie beständig gegen Öl, Fett, Wachs, Ammoniakverbindungen, Biogas oder Warm- und Kaltwasser.

Leitungen im Freien verlegen

Wenn Leitungen im Freien verlegt werden, ist immer die Stelle kritisch, an der die Leitung in ein Gehäuse eingeführt wird. Hier darf das Gehäuse nicht undicht sein und die Leitung sollte zugentlastet sein. Für solche Einsatzzwecke nutzen die Forscher die Skintop MS-M Kabelverschraubung von Lapp. Diese Verschraubung ist bis -40 °C kältebeständig. Sie ist nach IP69 zugelassen und hält sogar noch dicht, wenn sie mit einem Hochdruckreiniger behandelt wird. Das Verbindungselement mit doppeltem Lamellenkorb hält Leitungen bis 98 mm Durchmesser sicher und fest.