R2.4 Forschung unter Weltraumbedingungen

Leitung

Prof. Dr.-Ing. Michael Dreyer
Leitung

ZARM
Universität Bremen
Am Fallturm
28359 Bremen

Tel.: 0421 / 218 57866.
E-Mail: michael.dreyer(at)zarm.uni-bremen.de

Dr. Peter Gräf
Stellvertr. Leitung

Deutsches Zentrum für Luft- u. Raumfahrt e.V.
RD-RW
Königswinterer Str. 522-524
53227 Bonn

Tel.: 0228 / 47373
E-Mail: peter.graef(at)dlr.de

Definition, Abgrenzung, Ziele

Die Forschung unter Weltraumbedingungen nutzt den Zustand der Schwerelosigkeit für die Erforschung von physikalischen und biologischen Systemen. Ohne hydrostatischen Druck, Auftrieb, Sedimentation und natürliche Konvektion (durch Dichteunterschiede angetriebene Konvektion) können einzelne Phänomene besser beobachtet und isoliert werden. Der Zustand der Schwerelosigkeit entsteht, wenn während eines freien Falls keine weiteren Kräfte mehr wirken, wie zum Beispiel in einem Fallturm oder auf der ISS, die sich ebenfalls im freien Fall um die Erde bewegt.

Die Forschung dient dem besseren Verständnis physikalischer und biologischer Systeme auf der Erde und im Weltraum. Ebenso werden die Grundlagen für die zukünftige Exploration des Weltraums gelegt, bei der sowohl lange schwerelose Phasen als auch die Gravitation auf Mond und Mars zu berücksichtigen sind.

Technische Unterteilung

Physikalische Wissenschaften (Physical Sciences)

Der zentrale Forschungsgegenstand des Teilprogramms Physikalische Forschung sind gravitationsabhängige Effekte in den Bereichen Material-, Fluid-, Verbrennungs- und Fundamentalphysik. Das Programm verfolgt drei elementare Ziele:

  • Grundlegende Naturgesetze Grundlagen erforschen,
  • Materialien und Produktionsverfahren auf Erde verbessern,
  • die Exploration des Weltalls vorbereiten.

Materialphysik

Etwa 90% der metallischen und halbleitenden Werkstoffe entspringen schmelzmetallurgischen Verfahren. Um die bestehenden Technologien zu optimieren oder neue zu entwickeln, ist zunehmend ein größeres Detailverständnis aller ablaufenden Prozesse notwendig. Ein Materialdesign aus der Schmelze erfordert heutzutage effiziente Computersimulationen, damit energie- und zeitaufwendige Vorversuche im großtechnischen Maßstab reduziert werden können. Durch schwerelose Experimentbedingungen werden beispielsweise konvektive Störkräfte bei der Erstarrung einer Schmelze ausgeschaltet. Das sind entscheidende Vorteile, um die Wechselbeziehung zwischen Erstarrungsbedingungen, Werkstoffgefüge und resultierenden Eigenschaften aufzuklären. Ein weiterer Vorteil ist es, die thermophysikalischen Eigenschaften reaktiver Metallschmelzen durch behälterfreies Prozessieren wesentlich genauer messen zu können. Auf diese Weise lässt sich die Qualität numerischer Simulationen von industriellen Gießprozessen entscheidend steigern, da die Eigenschaftsdaten signifikant in die Modellierung eingehen. Die Forschungsarbeiten erfolgen zunehmend auf der ISS und vorwiegend an industrierelevanten Schmelzen im Verbund mit der Industrie.

Fluidphysik

Die Physik der Flüssigkeiten und Gase durchdringt viele Anwendungsbereiche, in denen die Wirkung der Schwerkraft dominiert. Zwei Beispiele sollen dies demonstrieren. So werden gegenwärtig auf der ISS Flüssigkeitsströmungen in speziellen Geometrien untersucht (CCF), die z.B. in Treibstofftanks den Flüssigkeitstransport nur durch Kapillarkräfte ermöglichen sollen. Bei der Zündung eines Triebwerks muss zu jedem Zeitpunkt ausreichend Treibstoff am Tankauslass vorhanden sein. Folglich sind schwerelose Experimente notwendig, um die Grenzen der Strömungsgeschwindigkeit zu ermitteln, bevor die Strömung abreißt.

Eine weitere Fragestellung betrifft Strömungsvorgänge in einem Spalt zwischen zwei Kugelschalen (GEOFLOW). Dieses geophysikalische Modell simuliert Strömungsvorgänge im flüssigen äußeren Erdkern oder im Erdmantel. Die zentrale Kraftwirkung unseres Planeten wird dabei durch ein künstliches Gravitationsfeld im Kugelspalt ersetzt. Die auftretenden Strömungsmuster werden im Bereich der geophysikalisch relevanten Parameter quantitativ ermittelt. Nur unter Schwerelosigkeit kann man dabei die im terrestrischen Labor herrschende Vorzugsrichtung "oben–unten" vermeiden.

Die beiden Experimente GEOFLOW (seit 2008) und CCF (seit 2011) werden im Langzeitbetrieb auf der internationalen Raumstation durchgeführt.

Verbrennungsphysik

Anhand der Verbrennung von Tropfen und Sprays werden Zündmechanismen aufgeklärt, um Prozessmodelle zur Hochdruckverbrennung flüssiger Treibstoffe zu verbessern. Letztendlich ist es das Ziel, in stationären Gasturbinen und Flugantrieben bei hohem Wirkungsgrad gleichzeitig den Schadstoffausstoß durch möglichst magere Kraftstoffgemische zu senken. Schwerelosigkeit hilft, die Basismechanismen der Verbrennung ungestört von Konvektion und Sedimentation zu erforschen. Der Fallturm Bremen ist aufgrund seiner modernen laserdiagnostischen Verfahren für derartige Experimente besonders geeignet.

Fundamentalphysik


Die Nobelpreise für Physik sind in den letzten Jahren wiederholt für Entdeckungen zu Quantenphänomenen vergeben worden. Dazu gehört der Effekt, Gasatome soweit abzukühlen, dass diese ihre Individualität verlieren und als Materiewelle in Erscheinung treten. Deutschen Wissenschaftlern gelang es erstmalig im Fallturm Bremen, derart ultrakalte Atome (Bose-Einstein-Kondensate, BEC) unter Schwerelosigkeit zu erzeugen und zu manipulieren. Hieraus ergeben sich einzigartige Möglichkeiten, die Grundgesetze der Physik von der Quanten- bis zur Relativitätstheorie mit bisher unerreichter Präzision zu überprüfen.

Ein zweites wichtiges Forschungsfeld stützt sich auf die Entdeckung der Plasmakristalle durch deutsche Wissenschaftler im Jahr 1994. Mit Partikeln angereicherte Plasmen, die eine kristalline Struktur annehmen können, stellen bei weitem keinen exotischen Forschungsgegenstand dar. Sie treten häufig in der Natur (Saturnringe, Kometenschweif) und terrestrischen Plasmatechnologien (Chipherstellung, Solarzellenfertigung) auf. Bereits seit über einem Jahrzehnt werden sogenannte komplexe Plasmen auf der ISS in Kooperation mit Russland erforscht. Fundamentale Wechselwirkungen fester und flüssiger Partikel werden auch mit einem anderen Ziel verfolgt, nämlich um elementare Vorgänge bei der Planetenentstehung - die Agglomeration von kosmischem Staub - sowie bei der atmosphärischen Wolkenbildung - das Wachstum von Aerosolen - zu simulieren.

Biowissenschaften (Life Sciences)

Drei übergeordnete Ziele bestimmen die Aktivitäten im Teilprogramm Biowissenschaften:

  • Die Natur erforschen,
  • die Gesundheit verbessern,
  • Exploration ermöglichen.

Die Natur erforschen

Die Schwerkraft bestimmt das Leben auf der Erde. Alle Vorgänge laufen auf unserem Heimatplaneten unter dem Einfluss von Gravitation ab. Deswegen lässt sich deren Bedeutung für viele Funktionen des Lebens nur in Schwerelosigkeit erforschen. Dabei beobachten die Wissenschaftler, wie Zellen und Organismen reagieren und wie biologische Vorgänge unter diesen Bedingungen ablaufen. Bei normalen Schwerkraftbedingungen auf der Erde wachsen Pflanzenwurzeln immer in Richtung Erdmittelpunkt, Sprossen dagegen zum Licht. Wie gelingt ihnen das? Wie orientieren oder entwickeln sich Lebewesen bei fehlender Schwerkraft?

Aus den Weltraumexperimenten gewinnen die Forscher Erkenntnisse über die Mechanismen, mit denen Organismen – seien es Einzeller oder Menschen – die Schwerkraft wahrnehmen und auf sie reagieren. Diese Erkenntnisse sind nicht nur für die Grundlagenforschung von großer Bedeutung. Auch bei bestimmten biotechnologischen Vorgängen macht man sie sich zunutze. Weltraumexperimente helfen zudem, die Entstehung, Verbreitung und Entwicklung des Lebens auf unserem Heimatplaneten besser zu verstehen. Neben der Schwerelosigkeit ist das Strahlenfeld des erdnahen Weltraums ein weiterer Faktor, den es zu untersuchen gilt. Die Weltraumstrahlung stellt aufgrund ihrer Intensität und Zusammensetzung gerade für exploratorische Missionen ein Risiko dar, das trotz jahrzehntelanger Forschung noch immer schwierig abzuschätzen ist.

Die Gesundheit verbessern

Die Forschung in Schwerelosigkeit ist von besonderem Interesse für die Medizin. Innerhalb weniger Wochen machen Astronauten im All körperliche Veränderungen durch, die mit dem Alterungsprozess des Menschen sehr gut vergleichbar sind. Dadurch können wir gewissermaßen im Zeitraffer studieren, was sonst ein halbes Leben dauert. Darüber hinaus sind die Veränderungen beim Astronauten reversibel, so dass auch die Rückanpassung an die Schwerkraft auf der Erde untersucht werden kann. Was die Astronauten an Bord der ISS erfahren, verändert unser Wissen um den menschlichen Körper. Vor allem das Zusammenspiel der verschiedenen Systeme wie Muskeln, Knochen, Herz-Kreislauf-, Gleichgewichts- und Immunsystem erscheint in einem neuen Licht. Dieses Wissen fließt zum einen in die Diagnostik und Therapie kranker Menschen ein, trägt zum anderen aber auch zur Erhaltung von Gesundheit und Leistungsfähigkeit des Menschen in einer alternden Gesellschaft bei. So führte Forschung unter Weltraumbedingungen bereits zu neuen Trainingsmethoden, zu Therapien für die Behandlung von Osteoporose oder zu Instrumenten zur Messung des Augeninnendrucks und der Augenbewegungen beispielsweise bei der Schielanalyse.

Exploration ermöglichen

Zudem ist die biowissenschaftliche Forschung im Weltraum unverzichtbar, wenn es um exploratorische Missionen zu Mond, Mars oder anderen fernen Zielen geht. Erhaltung der psychischen und körperlichen Gesundheit und Leistungsfähigkeit der Astronauten über lange Zeiträume ist hier ein wichtiges Thema. Das andere ist die Entwicklung von biologischen oder gemischt biologisch-physikalisch/chemischen Lebenserhaltungssystemen. Hier ist noch viel Forschungsarbeit nötig.

Stand der Technik

An Fluggelegenheiten stehen den Forschern mittlerweile zur Verfügung:

  1. Die Internationale Raumstation mit dem Columbus-Modul (ESA), dem Destiny-Modul (NASA), dem KIBO-Modul (Japan) sowie russischen Modulen (Langzeitexperimente über Monate)
  2. Russische Wiedereintrittskapseln BION und FOTON (mehrere Wochen)
  3. Suborbitale Raketenflüge (MAXUS, TEXUS, MASER) mit bis zu 12 Minuten Schwerelosigkeit
  4. Parabelflüge zur Erzeugung der Schwerelosigkeit als auch für Mond- und Marsgravitation mit ca. 25 Sekunden pro Parabel und bis zu 30 Wiederholungen pro Flugtag
  5. Fallturm Bremen (5 Sekunden im freien Fall oder 9 Sekunden im Katapultbetrieb, mehrere Wiederholungen pro Tag)

Literaturempfehlungen, weiterführende Internetadressen

Literatur

  • Utilization of Space, B. Feuerbacher, H. Stoewer, Springer, Berlin, Heidelberg, 2006
  • Physics of Fluids in Microgravity, Edited by R. Monti, Taylor and Francis, London and New York, 2001
  • A World without Gravity, G. Seibert et al., edited by B. Fitton and B. Battrick, European Space Agency, SP-1251, 2001
  • Microgravity Science and Technology, An International Journal for Microgravity and Space Exploration, Springer Verlag
    http://www.springer.com/astronomy/space+exploration/journal/12217

Internet

Veranstaltungen

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