Quelle: DLR 18. September 2024.

18. September 2024 – Am 17. September 2024 ist der Airbus A310 ZERO-G um 9:30 Uhr vom Flughafen Bordeaux-Mérignac gestartet, um Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zusammen mit ihren Experimenten in die Schwerelosigkeit zu bringen. Es ist der erste von drei Flugtagen während der 43. Parabelflugkampagne der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), die bis zum 19. September 2024 stattfindet.

Premiere für drei Experimente
Während der aktuellen Parabelflugkampagne werden insgesamt elf Experimente von deutschen Forschungseinrichtungen an Bord durchgeführt. Neu dabei sind „KORDYGA“ zur Kollisionsstatistik und Rotationsdynamik in granularen Gasen, die experimentelle Kühlpumpe „FERMIUM“ für Raumfahrzeuge sowie das zellbiologische Experiment „RUTH“ zu Gehirnveränderungen von Astronautinnen und Astronauten nach Weltraumaufenthalten.

KORDYGA
Granulare Materialien bestehen aus einer großen Anzahl fester, mit bloßem Auge erkennbarer Teilchen – wir begegnen Ihnen regelmäßig im Alltag, beispielsweise als Sand oder Zucker. Die Teilchen granularer Gase bewegen sich mit zufälligen Geschwindigkeiten und Orientierungen im Raum und stoßen nur selten mit anderen Teilchen zusammen. Man findet sie massenhaft im Universum – im Asteroidengürtel oder bei der Entstehung von Planeten, aber auch in der Natur und in vielen industriellen Prozessen. Die Zusammensetzung aus zahlreichen kleinen, festen Teilchen erschwert das Verständnis und die physikalische Beschreibung dabei stark, so dass viele ihrer Eigenschaften unzureichend vorhersagbar sind. Im Experiment KORDYGA (Kollisionsstatistik und Rotationsdynamik in granularen Gasen) der Technischen Hochschule Brandenburg wird ein neues Messystem erprobt, um das Verhalten granularer Gase modellieren zu können.

FERMIUM
Autonome Raumfahrzeuge, Lander und Rover benötigen Kühlsysteme. Im Experiment FERMIUM (Ferrohydrodynamische Pumpe in Mikrogravitation) der Universität Bremen wird eine neuartige Kühlpumpe für diese Vehikel getestet. Sie besteht aus einer Konfiguration aus Magnetspulen, die mit einem sogenannten Ferrofluid gefüllt ist, also einer Mischung aus Wasser und magnetischen Nanopartikeln. Die Spulen erzeugen ein Magnetfeld, sodass die Flüssigkeit durch einen Kühlkreislauf gepumpt werden kann, ohne dessen Wände zu berühren. Während der Kampagne wird die Pumpe unter Schwerelosigkeit getestet.

RUTH
Bei Astronautinnen und Astronauten, die aus dem All zurückkehren, wird oft eine Abnahme der kognitiven und motorischen Leistungsfähigkeit beobachtet. Sie basiert vermutlich auf strukturellen und funktionellen Veränderungen des Gehirns. Welche physiologischen Mechanismen diese Veränderungen auslösen, ist bislang nicht bekannt. Im Experiment RUTH (DLR – Universität Bonn – TH Köln) wird der Einfluss der veränderten Schwerkraft auf Entwicklung, Struktur und Funktion neuronaler Netzwerke untersucht. Im Rahmen des aktuellen Parabelflugs werden zelluläre Netzwerke mit verschiedenen pharmakologischen Wirkstoffen behandelt, die sich positiv auf die Zellvernetzung auswirken sollen.

Die DLR-Parabelflugkampagnen
Seit 1999 organisiert die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR regelmäßig eigene Parabelflugkampagnen für biologische, humanphysiologische, physikalische, technologische und materialwissenschaftliche Experimente von deutschen Forschungseinrichtungen. Das Forschungsflugzeug, der A310 ZERO-G der französischen Firma Novespace, wird dabei nicht nur für die wissenschaftliche Kampagnen des DLR genutzt, sondern auch von anderen Raumfahrtagenturen wie der Europäischen Weltraumorganisation ESA oder der französischen Raumfahrtagentur CNES.

Eine Parabelflugkampagne besteht in der Regel aus drei Flugtagen mit ungefähr vier Flugstunden, an denen jeweils 31 Parabeln geflogen werden. Während jeder Parabel herrscht für etwa 22 Sekunden Schwerelosigkeit. Insgesamt stehen bei einer Flugkampagne also circa 35 Minuten Schwerelosigkeit – im Wechsel mit normaler und nahezu doppelter Erdbeschleunigung – zur Verfügung, die Forschende für ihre Experimente nutzen können. Bis zu 40 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler können an einem Flug teilnehmen, bei dem sich um die zehn Experimente an Bord befinden.

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• Parabelflüge

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Quelle: DFKI 12. Juni 2024.

12. Juni 2024 – Feinmotorische Aufgaben unter Weltraumbedingungen stellen eine besondere Herausforderung dar und müssen zuvor auf der Erde trainiert werden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) und der Universität Duisburg-Essen (UDE) untersuchen, ob sich ein robotisches Exoskelett, das Schwerelosigkeit simulieren kann, für astronautisches Training eignet. Das Team hatte nun die Möglichkeit, an der 42. Parabelflugkampagne des DLR in Bordeaux, Frankreich, teilzunehmen, um die Auswirkungen der simulierten Schwerelosigkeit mit denen der realen Schwerelosigkeit zu vergleichen.

Bei Weltraummissionen werden Astronautinnen und Astronauten häufig mit feinmotorischen Aufgaben wie der Durchführung von Reparaturen oder Experimenten konfrontiert, die durch die Schwerelosigkeit im All erschwert werden. Das gezielte Training dieser Fähigkeiten ist besonders wichtig, um nicht nur die Effizienz der Missionen zu erhöhen, sondern auch die Sicherheit der Astronautinnen und Astronauten zu gewährleisten. Bislang können solche Einsätze auf der Erde nur bei Parabelflügen oder in Raumanzügen unter Wasser trainiert werden.

Innovatives Raumfahrttraining mit Exoskelett
An einer alternativen und kostengünstigeren Trainingsmethode arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des DFKI Robotics Innovation Center in Bremen und des Fachgebiets Systeme der Medizintechnik der Universität Duisburg-Essen (UDE). Im Projekt NoGravEx, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) im Rahmen des INNOSpace-Netzwerks Space2Health – einer Initiative der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR – gefördert wurde, haben sie einen innovativen Ansatz weiterentwickelt, um mit Hilfe eines robotischen Exoskeletts Mikrogravitation zu simulieren. Die Technologie ist in der Lage, das Gewicht der Arme einer Person zu erkennen und zu kompensieren, so dass sich die Arme schwerelos oder beispielsweise so schwer wie auf dem Mond anfühlen.

Teilnahme an DLR-Parabelflugkampagne
Die Effekte der simulierten Schwerelosigkeit auf den menschlichen Körper im Vergleich zur echten Schwerelosigkeit untersuchen die Forschenden derzeit im Projekt GraviMoKo, das ebenfalls vom BMWK im Rahmen der Initiative Space2Health gefördert wird. Mit der Teilnahme an der 42. DLR-Parabelflugkampagne vom 27. Mai bis 6. Juni 2024 im französischen Bordeaux haben sie einen wichtigen Meilenstein in dem Vorhaben erreicht.

Bei Parabelflügen wird durch spezielle Auf- und Abstiegsmanöver 31 Mal für jeweils rund 22 Sekunden Schwerelosigkeit erzeugt. Diese Zeit steht den wissenschaftlichen Teams für ihre Experimente zur Verfügung. Statt der geplanten drei Flüge an drei Tagen startete der Airbus A310 Zero G der Firma Novespace insgesamt viermal, da der erste Flug nach nur 16 Parabeln wegen technischer Probleme abgebrochen werden musste. Die restlichen Parabeln wurden am zweiten Tag nachgeholt.

Versuchsaufbau und -durchführung
Das Exoskelett-Experiment war eines von elf ausgewählten Experimenten an Bord des Flugzeugs und sah die Teilnahme von sechs Testpersonen vor. Um den Ausfall einzelner Probandinnen und Probanden kompensieren zu können, hatten sich im Vorfeld jedoch mehr Personen auf den Einsatz vorbereitet. Die Aufgabe der Testpersonen bestand darin, in der Schwerelosigkeit mit dem Zeigefinger des rechten Arms die Mitte einer Zielschiebe auf einem Touchscreen zu treffen. Dabei war der Arm durch einen Umhang verdeckt, um visuelle Bewegungskorrekturen zu vermeiden. Während des Versuchs wurden die Muskelaktivität des Armes, die Gehirnaktivität und die Herzratenvariabilität der Testpersonen sowie deren Bewegungstrajektorien aufgezeichnet.

Die Hälfte der Probandinnen und Probanden hatte diese Aufgabe bereits im Labor mit einem aktiven Exoskelett in simulierter Schwerelosigkeit trainiert, die anderen waren untrainiert bzw. nur mit dem Versuchsaufbau vertraut. Im Gegensatz zu den Tests auf der Erde wurden bei den Parabelflügen passive Systeme eingesetzt. Dabei ermöglichten zwei identische Versuchsaufbauten den gleichzeitigen Einsatz von zwei Testpersonen pro Flug. Eine mit allen Sensoren ausgestattete Ersatzperson stand bereit, um bei Unwohlsein einzuspringen und fungierte ansonsten als Operator und Unterstützung der eingesetzten Probandinnen oder Probanden.

Die Experimente verliefen weitgehend planmäßig, nur einmal musste wegen Übelkeit eine Testperson ausgetauscht werden. Am Ende der zehntägigen Kampagne zeigten sich die Forschenden sehr zufrieden mit dem Verlauf.

Projektleiterin Prof. Dr. Elsa Kirchner, Universität Duisburg-Essen/DFKI: „Wir haben unsere erste Parabelflugkampagne exzellent gemeistert und alle geplanten Daten erhoben. Das Team hat trotz aller Anstrengung und wenig Schlaf hervorragend zusammengearbeitet. Jetzt geht es an die Auswertung der sehr umfangreichen Daten.“

Datenauswertung und Anwendungspotenziale
Durch die Analyse der Daten erhoffen sich die Forschenden Erkenntnisse darüber, ob das Training mit dem Exoskelett in simulierter Schwerelosigkeit eine Übertragung des Gelernten in die reale Schwerelosigkeit und somit eine Leistungssteigerung ermöglicht. Dies könnte dazu beitragen, Astronautinnen und Astronauten künftig besser auf die Herausforderungen von Raumfahrtmissionen vorzubereiten und ihre Leistungsfähigkeit unter den extremen Bedingungen des Weltalls zu optimieren.

Nicht nur die Raumfahrt, sondern auch irdische Anwendungsbereiche wie die Rehabilitation können von der neuen Technologie profitieren. Das in den Projekten NoGravEx und GraviMoKo eingesetzte und weiterentwickelte Exoskelett wurde am DFKI ursprünglich für die Rehabilitationstherapie entwickelt. Durch die Möglichkeit der personenspezifischen Gewichtskompensation kann das System körperlich eingeschränkte Menschen, beispielsweise nach einem Schlaganfall, noch individueller unterstützen.

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• Parabelflüge

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Quelle: DLR 6. September 2022.

Premiere für „Spacebike“, das „Zero Boil-Off Tank“-Experiment und „CoolFly“
Die 39. Parabelflug-Kampagne der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR findet vom 29. August bis zum 8. September 2022 nach zwei Jahren erstmalig wieder in Bordeaux statt. „Wir freuen uns, nach vier Kampagnen, die aufgrund der Corona-Pandemie vom Flughafen in Paderborn aus stattgefunden haben, nun wieder in die ‚alte Heimat‘ des DLR-Parabelflugs zurückzukehren“, sagt Dr. Katrin Stang, Leiterin des Parabelflugprogramms der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. „Die Bedingungen in Deutschland waren sehr gut, doch die Infrastruktur in Bordeaux ist nach über 20 Jahren Parabelflug mit der Firma Novespace für unsere Bedürfnisse optimal.“

Vom französischen Heimatflughafen des A310 Zero-G starten in dieser Zeit zehn Experimente aus den Bereichen Biologie, Humanphysiologie und Materialwissenschaften, Technologie und Physik in die Schwerelosigkeit. Neu mit dabei sind die Experimente „Spacebike“, bei dem Probanden unter Weltraumbedingungen in die Pedale treten, das „Zero Boil-Off Tank“-Experiment zur Befüllung von Raumfahrzeugen mit Treibstoff sowie „CoolFly“, das die Wirkung von Kühlkleidung auf den menschlichen Kreislauf untersucht. Die sieben weiteren Experimente sind bereits bei früheren Kampagnen mitgeflogen. Hier werden die Daten anhand neuer Testpersonen erweitert oder neue Fragestellungen oder Materialien getestet. Gestartet wird an drei Flugtagen vom 6. bis zum 8. September, wobei zum ersten Mal auch ein Chefredakteur von Flightradar24 mit an Bord sein wird.

Spacebike: Schwitzen in Schwerelosigkeit
Das Experiment Spacebike von Forschenden der Deutschen Sporthochschule Köln und der Hochschule Aachen untersucht, inwieweit sich die Ansteuerung von menschlichen Muskeln durch das Gehirn bei einer „normalen“ Bewegung in Schwerelosigkeit verändert. Hierzu fahren Probandinnen und Probanden auf einem stationären Fahrradergometer, dem Spacebike, während die zentrale Nervenaktivität im Gehirn mittels EEG (Elektroenzephalographie) und die daraus resultierende Aktivierung der Muskeln mittels EMG (Elektromyographie) aufgezeichnet werden. Die Analyse der Daten soll zeigen, ob dabei Unterschiede im Vergleich zur Aktivität unter normaler Schwerkraft auftreten und wie die jeweilige Motorik davon beeinflusst wird. Das Forschungsthema ist nicht nur für die Raumfahrt und Exploration interessant, sondern auch für den Rehabilitationsprozess bei Gehirnschädigungen, etwa durch einen Schlaganfall. Constanze Badali, Doktorandin im Projekt bei Prof. Stefan Schneider, Deutsche Sporthochschule Köln: „Der erste Flugtag war sehr aufregend, aber alles hat wunderbar geklappt. Das Radfahren auf dem SpaceBike hat unser Proband gut gemeistert. Wir freuen uns auf den nächsten Flugtag!“

Zero Boil-Off Tank: Die Tankstelle im Orbit
Flugzeuge in der Luft betanken – dies ist bereits seit vielen Jahren mit Hilfe von speziell entwickelten Technologien möglich. Das Auffüllen von Raumfahrzeugen und Satelliten im Weltall konnte hingegen bis heute nicht realisiert werden. Das Forschungsprojekt Zero Boil-Off Tank Experiment – Befüllung und Transfer soll dabei helfen, dies zu ändern. Das Hauptproblem bei der Betankung im Orbit ist, dass die Kapillarkräfte innerhalb des Treibstoff-Tanks, je nach Größe und Beschleunigung, in der Schwerelosigkeit dominieren. Dies nimmt Einfluss auf die Flüssig- und Gasphase des Treibstoffs, wobei nicht sichergestellt werden kann, dass die gewünschte Flüssigphase dann am Auslass des Tanks auftritt oder der Gasauslass flüssigkeitsfrei ist.

Die Betankung im Weltall wäre ein großer Vorteil, da so die Lebensdauer von Satellitenmissionen deutlich verlängert werden könnte. Außerdem benötigen zukünftige Langzeit-Raumfahrtmissionen die Lagerung und den Transfer von Treibstoffen im Weltraum. Im Parabelflug wollen Forschende vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) an der Universität Bremen nun ein Konzept für die Befüllung und den Transfer von Flüssigtreibstoffen in der Schwerelosigkeit testen. Eine erfolgreiche Durchführung ist die Voraussetzung für ein geplantes Experiment auf der Internationalen Raumstation (ISS), das in deutsch-amerikanischer Zusammenarbeit stattfinden soll.

CoolFly: Kühlung für den menschlichen Kreislauf
Der menschliche Körper besitzt die Fähigkeit, den Blutdruck beim Wechsel vom Liegen oder Sitzen in eine aufrechtstehende Position stabil zu halten. Dies wird als Orthostase-Reaktion bezeichnet. Bei starker Beschleunigung oder einer Änderung der Schwerkraftverhältnisse, wie sie etwa Astronautinnen und Astronauten ausgesetzt sind, kommt es häufig zu gesundheitlichen Problemen. Das Experiment CoolFly der Charité Berlin untersucht im Parabelflug-Experiment, inwieweit sich eine leichte Absenkung der Körpertemperatur durch kühlende Bekleidung stabilisierend auf die Orthostase-Reaktion von Testpersonen auswirkt. „Wir sind sehr froh, dass alle unsere Probanden es gut vertragen haben. Nach Aussage unserer Probanden funktioniert die Kühlung hervorragend. Wir sind gespannt auf die Auswertung der Daten“, resümiert Dr. Oliver Opatz nach dem ersten Flugtag.

Gelingt es den Forschenden diesen positiven Effekt nachzuweisen, dann könnte solch eine Kühlkleidung zukünftig in der Raumfahrt zum Einsatz kommen – insbesondere bei Langzeitmissionen zu Mond oder Mars. Interessant wäre diese Methode auch, um auf der Erde in Hitzestressszenarien eingesetzt zu werden. Beispiele hierfür sind etwa Einsätze von Feuerwehrleuten oder auch die Behandlung von Intensiv-Patienten im Krankenhaus, wo eine externe Kühlung positive Auswirkungen auf den Verbrauch von bestimmten Kreislauf-stabilisierenden Medikamenten gezeigt hat.

Der DLR-Parabelflug
Seit 1999 organisiert die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR regelmäßig Parabelflüge für biologische, humanphysiologische, physikalische, technologische und materialwissenschaftliche Fragestellungen. Das Forschungsflugzeug, der A310 ZERO-G der französischen Firma Novespace, wird ein- bis zweimal jährlich für wissenschaftliche Kampagnen des DLR, der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der französischen Raumfahrtagentur CNES genutzt. Eine DLR-Parabelflugkampagne besteht in der Regel aus drei Flugtagen mit zirka vier Flugstunden, an denen jeweils 31 Parabeln geflogen werden. Während jeder Parabel herrscht für etwa 22 Sekunden Schwerelosigkeit. Insgesamt stehen bei einer Flugkampagne etwa 35 Minuten Schwerelosigkeit – im Wechsel mit normaler und nahezu doppelter Erdbeschleunigung – zur Verfügung, die Forscher für ihre Experimente nutzen können. Bis zu 40 Wissenschaftler können an einem Flug teilnehmen, bei dem sich zwischen zehn und 13 Experimenten an Bord befinden.

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• Parabelflüge

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Quelle: TU Clausthal.

6. Juli 2021 – Für Professor Jens Günster war es schon ein bekanntes Szenario: als der Flug im Airbus A310 zwischen 7600 und 8500 Höhenmetern plötzlich für mehr als 20 Sekunden in die Schwerelosigkeit überging. Wie bereits in den Jahren 2017 und 2018 nahm der Materialwissenschaftler, der an der TU Clausthal sowie an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) tätig ist, auch in 2021 an einer Parabelflug-Kampagne teil. Das Programm – in diesem Jahr von der Europäischen Raumfahrt Agentur ESA vom Flughafen Paderborn-Lippstadt aus durchgeführt – ermöglicht es der Wissenschaft, Experimente unter Bedingungen vorzunehmen, die der Schwerelosigkeit gleichkommen.

Die aktuellen Flüge fanden in der vergangenen Woche statt. Im Rahmen eines innovativen Forschungsprojektes mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt setzte Professor Günster dabei eine Versuchsreihe zum Thema additive Fertigungsverfahren bzw. 3D-Druck in der Schwerelosigkeit fort. Mit an Bord war nicht nur wieder ein Drucker, der von der Clausthaler Firma DHM Prüfsysteme hergestellt wurde. Mit an Bord war dieses Mal auch der Inhaber des Unternehmens, Dr. Harald Müller, ein Alumnus der TU Clausthal.

In einem Labor der Universität hatte das Team die Experimente vorbereitet. Später in der Erdatmosphäre wurden Drucker, Software und Druckprozess dann unter den Anziehungskraft-Bedingungen von Mond und Mars getestet. Diese Gravitationen werden durch bestimmte Flugmanöver (siehe Grafik) erreicht. So kann die Marsgravitation für rund 30 Sekunden simuliert werden. Unter Bedingungen wie im Weltall haben die Clausthaler beispielsweise erfolgreich getestet, wie sich ein Schraubenschlüssel per 3D-Druck herstellen lässt. Die Ergebnisse der Experimente können Astronauten bei zukünftigen Weltraumissionen helfen, wenn sie Ersatzteile herstellen müssen.

Das Flugzeug für die Parabelflüge war die einstige „Konrad Adenauer“ aus der Flugbereitschaft des Bundes. Nach dem Umbau bietet der Airbus Platz für zehn bis dreizehn verschiedene Experimente und deren Teams. Daneben sei geschultes Personal an Bord, das die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler absichere, erläuterte Günster. „Teilweise lasten bei den Manövern bis zu 2 g auf uns“, so der Clausthaler, den auch Mitarbeiter der BAM begleiteten. Bei den jeweils sechs Stunden andauernden Flügen werden bis zu 31 Parabelmanöver absolviert. Dieses Programm wird an mehreren Tagen wiederholt, so dass es für die Beteiligten mit einer großen körperlichen Belastung einhergeht. Nach dem Abschluss der Flüge waren sich die Clausthaler und BAM-Mitarbeiter einig: „Die Parabelflüge sind eine überragende Erfahrung. Die Experimente und das Erlebnis lassen die körperlichen Strapazen schnell vergessen.“

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• Parabelflüge

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Quelle: DLR.

Es ist die 35. Parabelflugkampagne des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), aber dennoch ist nichts Routine auf diesem Flug in die Schwerelosigkeit: Erstmalig müssen Wissenschaftler, Ingenieure und Crew die Herausforderungen der Forschungsarbeit in Corona-Zeiten bewältigen. Selbst im letzten Moment musste noch einmal umgeplant werden: Der für Anfang September geplante Parabelflug in Bordeaux findet nun aufgrund der stark gestiegenen Anzahl an Covid-19-Infektionen in Frankreich vom 16. bis zum 24. September 2020 vom Flughafen Paderborn-Lippstadt Airport in Nordrhein-Westfalen statt. Der Airbus A310 ZERO-G ist am Nachmittag des 16. September auf dem Flughafen in Ostwestfalen gelandet und bis Sonntag, 20. September, werden dort nun die Experimente der beteiligten Wissenschaftlergruppen final eingebaut und für die drei Flugtage in Schwerelosigkeit vorbereitet.

„Wir sind erleichtert, dass wir trotz der Umstände und der für uns alle weiterhin dynamischen Entwicklung der Pandemie in Europa den DLR-Parabelflug nicht absagen, sondern kurzfristig nach Deutschland holen konnten“, erklärt Thomas Jarzombek (MdB), Koordinator der Bundesregierung für die Luft- und Raumfahrt, und ergänzt: „Als Düsseldorfer und damit ,Kind NRWs‘ freue ich mich besonders, zu zeigen, dass Forschung im Land zwischen Rhein und Weser eine herausragende Rolle spielt.“

Zwei Tage vor dem ursprünglich geplanten Start der Kampagne am 31. August sahen sich die Verantwortlichen des DLR Raumfahrtmanagements in Bonn zwingend veranlasst, die Flüge in Frankreich aufgrund des hohen Anstiegs an Corona-Infektionen aus Sicherheitsgründen abzusagen. „Nun galt es, kurzfristig einen Ersatzflughafen zu finden, der ab dem 16. September über entsprechende Kapazitäten und die notwendigen Voraussetzungen für einen Parabelflug verfügt. Eine weitere Verschiebung der Kampagne innerhalb dieses Jahres wäre aufgrund der Verfügbarkeit des A310 ZERO-G nicht möglich gewesen“, verdeutlicht Dr. Walther Pelzer, DLR Vorstand für das Raumfahrtmanagement, die außergewöhnliche Situation. „Den Parabelflug so kurzfristig nach Paderborn zu holen, war ein enormer Kraftakt, aber alle Beteiligten – Novespace, der Flughafen Paderborn, die Wissenschaftler aus ganz Deutschland und das DLR Raumfahrtmanagement haben ihn gemeinsam bewältigt. Das zeigt, was man auch unter schwierigsten Bedingungen gemeinsam schaffen kann.“

An den drei geplanten Flugtagen – 21. bis 23. September mit einem Back-up-Tag am 24. September – sollen acht technologische, physikalische und materialwissenschaftliche Experimente von Wissenschaftsteams aus ganz Deutschland mit an Bord des A310 ZERO-G der französischen Firma Novespace sein.

Mit „SESIMAG II“ will beispielsweise ein Forscherteam der Technischen Universität Dresden eine neue Methode zur Verarbeitung Seltener Erden testen. Seltene Erden sind ein Material, das in der Natur vorkommt und das in der Hochtechnologie eingesetzt wird – etwa bei der Herstellung von Computerchips oder Solaranlagen. Bei herkömmlichen Industrieverfahren werden zur Aufbereitung dieser Erden große Mengen von Lösungsmitteln verwendet. Die Wissenschaftler wollen beim Parabelflug eine neue Methode erproben, bei welcher der Einsatz von Lösungsmitteln durch ein mechanisches Verfahren – magnetische Separation – ersetzt wird. Hierdurch könnte die Produktion von Hightech-Geräten wesentlich umweltfreundlicher werden.

„Nach heutigem Stand werden wir sofern das Wetter mitspielt an allen drei Flugtagen morgens gegen 09:30 Uhr Richtung französische Atlantikküste aufbrechen, um dort über dem freien Meer die jeweils 31 Parabeln zu fliegen. Wir werden wegen der längeren Hin- und Rückflugzeit voraussichtlich insgesamt pro Tag eher vier bis fünf Stunden unterwegs sein anstelle der sonst üblichen drei bis vier Stunden“, berichtet Dr. Katrin Stang, Parabelflugprogramm-Leiterin im DLR Raumfahrtmanagement.

AHA-Regeln und Fiebermessungen sind Flugvoraussetzung
Neben der Durchführung der Kampagne in Deutschland sorgen zahlreiche Sicherheitsvorkehrungen auf dem Parabelflug für Sicherheit. Wer in den A310 ZERO-G steigt, muss strenge Kontrollen durchlaufen: Nicht nur, dass die üblichen AHA-Regeln (Atemschutz, Hygiene, Abstand) eingehalten werden müssen – die Teilnehmer sind außerdem dazu verpflichtet, täglich Fiebermessungen durchzuführen. Die Wissenschaftsteams vor Ort wurden auf die absolut notwendigen Personen begrenzt, die zur Durchführung der Experimente notwendig sind – das sind etwa die Hälfte der Personen, die bei einer regulären Kampagne vor Ort beteiligt sind. Der Dokumentenaustausch und die Kommunikation zwischen den Teilnehmern erfolgt – wo möglich – elektronisch oder per Telefon. Die Sicherheitseinweisung für alle Teilnehmer wird außerdem erstmalig als Videobriefing durchgeführt.

„Für uns Wissenschaftler waren vor allem die Verschiebung des Parabelflugs um mehrere Wochen und die Schließung der Labore und Einrichtungen im Corona-Lockdown hinderlich für unsere Experiment-Vorbereitungen“, so Christina Knapek vom DLR Institut für Materialphysik im Weltraum. „Experimentanlagen müssen für den Flugtag punktgenau vorbereitet werden. Das ist allerdings nicht ganz einfach, wenn die Labore geschlossen sind.“

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• Parabelflüge

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Quelle: Universität Zürich.

Die Schutzmaßnahmen im Rahmen der SARS-CoV-2-Pandemie haben – neben Restriktionen für Wirtschaft und Gesellschaft – auch die meisten Forschungsaktivitäten stark beeinträchtigt. Trotz der sich dauernd ändernden Lage konnten die Swiss Skylab Foundation und der Space Hub der Universität Zürich (UZH) die geplante Parabelflug-Kampagne neu organisieren und die erforderlichen Schutzkonzepte implementieren. Der Schwerelosigkeits-Forschungsflug hebt heute am 11. Juni 2020 vom ehemaligen Militärflugplatz Dübendorf ab – unter Einhaltung sämtlicher Corona-Schutzmaßnahmen.

An Bord des Airbus A310 befinden sich acht Experimente aus den Bereichen Medizin, Astrophysik und Geologie, darunter mehrere der UZH sowie je eines der Universitäten Bern und Basel, der ETH Zürich und des italienischen Eurac Forschungsinstituts. Bei einem Experiment handelt es sich um eine Forschungszusammenarbeit der Universität Zürich und der NASA, an der auch die University of Wisconsin beteiligt ist.

Mit gedämpfter Immunantwort gegen schwere Covid-19-Verläufe
Eines der Experimente, das Oliver Ullrich, Professor für Anatomie an der UZH und Direktor des UZH Space Hubs, und seine Forschungsgruppenleiterin Cora Thiel durchführen, fokussiert auf Covid-19. «Bei schweren und teilweise tödlichen Covid-19-Verläufen scheint eine massive und schädliche Überreaktion des Immunsystems beteiligt zu sein, die bei leichten Verläufen nicht zu beobachten ist», erläutert Thiel.

Aus der Raumfahrtmedizin ist bekannt, dass Überreaktionen des Immunsystems in der Schwerelosigkeit abgedämpft werden. Aus ihrer bisherigen Forschung kennen Ullrich und Thiel mögliche molekulare Wege, wie dieser «gedämpfte», aber dennoch reaktive Immunstatus, aktiviert wird. Während des Parabelfluges versuchen die beiden mittels verschiedener bereits zugelassener Medikamente diesen aus der Schwerelosigkeit bekannten Immunstatus in menschlichen Zellkulturen herbeizuführen. Im Falle positiver Resultate wären erste klinische Testreihen möglich mit dem Ziel schwere und tödliche Verläufe von Covid-19 zu reduzieren. «Dadurch ließe sich die gewünschte «Herdenimmunität» mit weniger Risiken erreichen», erklärt Ullrich den neuartigen Ansatz.

Bisher 30 Experimente in der Schwerelosigkeit
Zusammen mit der aktuellen Kampagne wurden in den von Ullrich organisierten Forschungsflügen bislang dreißig Experimente in der Schwerelosigkeit durchgeführt. «Forschung in Schwerelosigkeit kann Vorgänge aufklären und sichtbar machen, die auf der Erde durch die Schwerkraft verborgen sind und helfen, neue Materialien und Herstellungsverfahren zu erforschen», erläutert Ullrich, der Mediziner und Biochemiker ist. «Sie hat der Medizin neue Erkenntnisse, neue Behandlungsmethoden und neue Perspektiven für Geweberegeneration und -ersatz gebracht.»

Swiss Parabolic Flights erzielen hohe Wertschöpfung
Dank Ullrichs Parabelflügen gelang es Wissenschaftlern aus der Schweiz, Forschungsgelder auf europäischer Ebene einzuwerben oder Forschungsvorhaben auf der Internationalen Raumstation vorzubereiten. «Damit erzielen die Swiss Parabolic Flights eine hohe Wertschöpfung und stärken die Wettbewerbsfähigkeit von Forschung und Technologie aus der Schweiz», sagt Ullrich. Mit dem Swiss Parabolic Flight Programm erhalten Wissenschaft und Innovation in der Schweiz einen einfachen Zugang zur Forschungsumgebung «Schwerelosigkeit». Ermöglicht wird dies auch durch die Schweizer Luftwaffe mit der Nutzung des Militärflugplatzes Dübendorfs für die Starts und Landungen des Airbus 310 Zero-G. Durchgeführt werden die Schwerelosigkeits-Forschungsflüge durch Novespace, eine Tochter der französischen Raumfahrtagentur CNES, die Eigentümer und Operator des A310 ZERO-G ist.

Europaweit einzigartiges Setting
Überzeugt vom Potenzial in Dübendorf ist auch Peter Bodmer, Mitglied des Universitätsrats und Präsident des Innovationsparks Zürich: «Der Innovationspark Zürich bietet eine einzigartige Chance: den Zugang zu einem Flugfeld, das Forschungs- und Testflüge für die Mobilität in der Luft ermöglicht. So eignet sich der Park auf dem Flugplatzareal von Dübendorf auch für alle Innovationsthemen der Aviatik und der Luftfahrt.» Dies bestätigt Michael Schaepman, Prorektor Forschung an der UZH: «Mit der Flugpiste vor der Haustüre haben wir europaweit ein einzigartiges Setting und zeigen mit dem heutigen Parabelflug, dass die UZH und ihr Space Hub im Bereich Luft- und Raumfahrt auch in herausfordernden Zeiten verlässliche Partner sind.»

Wozu Parabelflüge für die Forschung?
Parabelflüge sind fester Bestandteil jeder Forschung in Schwerelosigkeit. Bei einem Parabelmanöver wird ein Flugzeug in den freien Fall im Gravitationsfeld gebracht, was physikalisch zu echter Schwerelosigkeit an Bord führt – identisch mit der Schwerelosigkeit auf der Internationalen Raumstation (ISS).

Auf den extremen Steigflug folgt, dem Kurs einer Wurfparabel folgend, ein kontrollierter Sturzflug – so wird im Airbus A310 ZERO-G für 22 Sekunden Schwerelosigkeit erzeugt. Dank der Schweizer Luftwaffe können die Universität Zürich und der UZH Space Hub den Militärflugplatz schon seit Längerem zu Forschungszwecken mitnutzen: Bereits 2015, 2016 und 2018 organisierten die UZH und die universitätsnahe gemeinnützige Swiss SkyLab Foundation drei Parabelflugkampagnen mit dem Airbus A310 ZERO-G. Die Parabelmanöver finden über dem Mittelmeer oder dem Atlantik statt.

Die vierte Parabelflugkampagne wird durch das Swiss Space Office des SBFI unterstützt.

UZH Space Hub
Das Innovationscluster Luft- und Raumfahrt der Universität Zürich (UZH Space Hub) verbindet die international gut vernetzte Forschung in der Luft- und Raumfahrt an der UZH mit neuen Partnerschaften aus Wissenschaft und Industrie und bringt sie in den Innovationspark Zürich am Standort Dübendorf ein. Die enge Verbindung von Forschung und Flugplatz ist eine Besonderheit in Europa und ein Plus für die Wettbewerbsfähigkeit der Schweiz.

Experimente an Bord:
Planetenentstehung: Theorie auf dem Prüfstand der Realität
Involvierte Institutionen:
NCCR PlanetS, Universität Bern: Dr. Holly Capelo
Universität Zürich: Prof. Lucio Mayer

Protoplanetare Scheiben bestehen aus Gas und Staub. Durch Schwerkraft und Verklebungen entstehen daraus Planetesimale – die Vorläufer und Bausteine von Planeten: So zumindest besagen es Theorie und Simulationen. Das Experiment überprüft die Theorie erstmals unter den realen Bedingungen der Schwerelosigkeit.

Sedimentbildung auf Erde, Mond und Mars verstehen
Involvierte Institutionen:
Universität Basel, Prof. Niklaus Kuhn

Das Experiment untersucht, wie sich Sedimente unter unterschiedlichen Schwerkraftbedingungen in Wasser absetzen. Im Fokus stehen die Schwerkraftbedingungen von Mars und Mond sowie Hypergravitation. Die Erkenntnisse sind relevant, um die Sedimentationsprozesse auf der Erde verstehen und Aufnahmen von Gesteinsformationen auf dem Mars richtig zu interpretieren.

Wie die Schwerkraft in den Zellkern gelangt
Involvierte Institutionen:
Dr. Srujana Neelam, University of Wiscosin, Dr. Ye Zhang, NASA Kennedy Space Center, FL, 32899, USA, NASA
Universität Zürich: Dr. Cora Thiel, Dr. Liliana Layer, Jessica Hellein, Prof. Oliver Ullrich

Die Schwerkraft wirkt als eine mechanische Kraft auf die inneren und äußeren Strukturen der Zellen. In diesem Experiment werden Wege und Moleküle untersucht, wie die Schwerkraft-Wirkung in den Zellkern gelangt, dort wo die Gene der Zelle reguliert werden. Dies ist im Zusammenhang mit der Schwerelosigkeit auf Raumflügen von Bedeutung.

Herzmassage in der Schwerelosigkeit
Involvierte Institutionen:
Eurac Research, Institute of Mountain Emergency Medicine: Dr. Alessandro Forti
Helios Klinikum Bad Saarow, Prof. Dr. Olaf Schedler

Unter Schwerelosigkeit bzw. unter Schwerkraftbedingungen wie sie z.B. an Bord der Raumstation ISS herrschen, gestalten sich lebensrettende Herzmassagen bei einem Herzstillstand als anspruchsvoll. Das Experiment testet an einer Übungspuppe ACD-CPR-Instrumente unter Schwerelosigkeit bzw. Schwerkraftbedingungen wie sie auf der Erde, dem Mond und dem Mars herrschen.

Der Code der Schwerkraft
Involvierte Institutionen:
Universität Zürich, Dr. Cora Thiel, Prof. Oliver Ullrich
NASA Kennedy Space Center: Dr. Ye Zhang

Menschliche Zellen passen sich schnell einer veränderten Schwerkraft an. Wie diese Anpassung erfolgt, ist nicht bekannt. Das Experiment untersucht den Zusammenhang zwischen der Schwerkraft und der Regulation der Genfunktion, d.h. welche Moleküle unter veränderter Schwerkraft welche Gene an- oder abschalten und inwiefern diese Reaktion durch die geometrische Lage der Gene codiert ist. Das Wissen um diese Faktoren ist essentiell für die bemannte Raumfahrt.

Funktioniert der zelluläre Notfallschutz bei Sauerstoffmangel auch unter veränderten Schwerkraftbedingungen?
Involvierte Institutionen:
Universität Zürich, Prof. Johannes Vogel, Prof. Max Gassmann

Menschliche und tierische Zellen verfügen über einen Notfallschutz, der bei Sauerstoffmangel sofort aktiviert wird. Dabei erweist sich der Transport von als HIF’s bezeichneten Molekülen vom Zellsaft in den Zellkern als zentral. Das Experiment untersucht, ob und wie dieser überlebenswichtige Prozess auf veränderte Schwerkraftbedingungen reagiert. Das zu wissen, ist essentiell für die bemannte Raumfahrt.

COVID-19: Lebensbedrohliche Überreaktionen des Immunsystems unter Kontrolle bringen
Involvierte Institutionen:
Universität Zürich, Dr. Cora Thiel und Prof. Oliver Ullrich

Aus der Raumfahrtmedizin ist bekannt, dass «Überreaktionen» des Immunsystems in der Schwerelosigkeit abgedämpft sind. Durch ihre bisherige Forschung kennen Ullrich und Thiel bereits mögliche molekulare Wege, wie dieser «gedämpfte», aber dennoch immer noch reaktive Immunstatus, aktiviert wird. Auf der 4th Swiss Parabolic Flight Campaign versuchen die beiden mittels verschiedener bereits zugelassener Medikamente diesen aus der Schwerelosigkeit bekannten Immunstatus in menschlichen Zellkulturen «anzuschalten». Um festzustellen, dass so ein identischer Effekt erreicht wird, werden molekulare Marker als Ergebnis der Medikamenteneffekte anhand der «Anschaltung» durch die Schwerelosigkeit validiert.

Entwicklung eines Lerntools für Studierende
Involvierte Institutionen:
ETH Zürich, Prof. Dr. Jörg Goldhahn, Dominik Hollinger

Bewegungssensoren funktionieren bei Schwerkraftveränderungen unterschiedlich. Im Experiment werden zwei Studenten mit von der ETH entwickelten Bewegungssensoren, Pulsmessband und Videokamera ausgestattet und führen verschiedene Aufgaben im Parabelflug durch. Die gewonnenen Daten werden für ein Lerntool für Studierende genutzt und soll diese dafür sensibilisieren, dass Sensoren unter verschiedenen Bedingungen unterschiedlich funktionieren können. Das Projekt wurde komplett von Studierenden im Rahmen einer Gruppenarbeit geplant und durchgeführt.

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• Parabelflüge

Der Beitrag Von Dübendorf aus in die Schwerelosigkeit fliegen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ZARM.

Auf der Erde können wir uns darauf verlassen, dass die Erdanziehungskraft alles im Griff hat: Leichteres Gas von einer schwereren Flüssigkeit zu trennen, gelingt durch den hydrostatischen Druck wie von allein und das ganz verlässlich. Das Gas treibt nach oben auf, die Flüssigkeit sammelt sich automatisch unten an. Ein Vorgang, den wir alltäglich in einem gefüllten Benzintank eines Autos beobachten können, wo der Treibstoff blasenfrei zum Motor geleitet wird.

Diese physikalische Gesetzmäßigkeit gerät ins Wanken, wenn wir in den Weltraum blicken. Die Umgebungsbedingung ist dort vor allem durch Schwerelosigkeit bestimmt. Ein oben und unten gibt es nicht mehr und der hydrostatische Druck bleibt wirkungslos. Dennoch ist es für Satelliten, Raumsonden oder bemannte Explorationsmissionen unerlässlich, eine Phasentrennung von Gas und Flüssigkeit an Bord von Weltraumfahrzeugen sicherzustellen: Treibwerke müssen gas- und blasenfrei mit Treibstoff versorgt werden, Lebenserhaltungssysteme müssen eine Gasphase von einer Flüssigkeitsphase trennen, Systeme zur Regulierung des Wärmehaushaltes müssen eine Dampfphase von einer Flüssigkeitsphase scheiden und selbst Anlagen, die eines Tages auf Mond oder Mars betrieben werden zur Herstellung oder Umwandlung von (Roh-)Stoffen, müssen so konzipiert sein, dass sie eine Phasentrennung gewährleisten.

Die ZARM-Wissenschaftler entwickelten eine Apparatur, die die Phasentrennung unter Weltraumbedingungen möglich macht und bisheriges Grundlagenwissen zur Handhabung von Flüssigkeiten im All erweitert. Die Testflüssigkeit wurde so ausgewählt, dass sie den Eigenschaften von Raketentreibstoffen, wie sie in der Raumfahrt Anwendung finden, ähnelt und zugleich für den Menschen völlig ungefährlich ist und bei einem Parabelflug verwendet werden darf.

Experimentaufbau und Erkenntnisse:
Der Testaufbau besteht aus einem rechteckigen, ca. fünf Millimeter breiten Kanal als Flüssigkeitsleitung, der entlang einer zehn Zentimeter langen Messstrecke an einer Seite offen zur Umgebungsluft ist. Abgedeckt ist die offene Messstrecke alleinig durch ein sehr feinmaschiges Metallsieb mit nur 14 tausendstel Millimeter großen Poren, das abstrahiert als poröses Medium beschrieben werden kann. Oben auf dem Sieb sitzt an einer Stelle ein zehn Zentimeter langes und fünf Millimeter breites Messröhrchen auf, das ebenfalls mit Flüssigkeit gefüllt ist. Im Versuch unter Schwerlosigkeit ist zu beobachten, wie die Flüssigkeit aus dem Messrohr durch das Metallsieb in den Strömungskanal gesogen wird, ohne dass über die gesamte offene Messtrecke hinweg Umgebungsluft als Bläschen mit in die Flüssigkeitsphase eindringt.

Hier wirken die Kapillarkraft mit dem Blasendurchbruchsdruck und den Eigenschaften des porösen Mediums zusammen: Die Kapillarkraft – die Eigenschaft von Flüssigkeiten, sich in Spalten und Röhrchen auszubreiten – sorgt zunächst dafür, dass die Flüssigkeit in die feinen Poren des gesamten Metallsiebs kriecht und es mit Flüssigkeit sättigt. Das Metallsieb fungiert dann wie eine Membran, die Flüssigkeit hindurchtreten lässt, aber gegen Gas sperrt. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass der Blasendurchbruchsdruck – auf Englisch Bubble Point – nicht überschritten wird, also jener Punkt, an dem die Umgebungsluft durch das Metallsieb in den Strömungskanal gesogen wird und sich Bläschen im Flüssigkeitsstrom bilden. Der Blasendurchbruchsdruck steht dabei in einer direkten Abhängigkeit zur Größe der Poren des Siebes – je kleiner die Poren, desto größer kann der Druck sein, bis Gas in den Flüssigkeitsstrom eindringt.

Die Parabelflugkampagne:
Die von ZARM-Wissenschaftlern entwickelte Apparatur wurde während der 33. Parabelflugkampagne des Raumfahrtmanagements des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) vom 12.-14. März 2019 erfolgreich getestet und bewies ihre volle Funktionsfähigkeit zur Flüssigkeits-Gastrennung. An drei aufeinanderfolgenden Flugtagen wurden mit dem Airbus 310 ZERO G vom französischen Bordeaux aus über dem Gebiet des Atlantiks mehr als 90 Einzelparabeln geflogen, die den Wissenschaftlern jeweils 22 Sekunden Schwerelosigkeit ermöglichten – eine Experimentumgebung, die nicht nur für die Testapparatur eine Herausforderung darstellte, sondern auch für die Wissenschaftler, die mit an Bord waren und den Versuch schwebend durchführen mussten.

Der menschliche Körper reagiert umgehend auf die Phasen reduzierter Gravitation (Schwerelosigkeit), wenn das Flugzeug in den freien Fall übergeht, und reagiert ebenso auf die Phasen erhöhter Gravitation, die am Beginn und am Ende der Parabeln auftreten. Umso wichtiger war es für die ZARM-Crew, sich auf die Parabelflüge gut vorzubereiten. Dazu gehörte, eine klare Aufgabenteilung im vierköpfigen Team festzulegen, die Handgriffe zur Steuerung des Experiments einzuüben, die Durchführung der zuvor festgelegten Testparameter zu überwachen und die technische Bereitschaft des Experimentaufbaus sowie die Datengewinnung sicherzustellen.

Relevanz der Ergebnisse:
Der Untersuchungsansatz der ZARM-Wissenschaftler ist der anwendungsbezogenen Grundlagenforschung gewidmet und dient dazu, eine gute Mess- und Beobachtbarkeit strömungsmechanischer Vorgänge zu erreichen. Der gewählte Versuchsaufbau ist daher nicht die Abbildung einer konkreten technischen Ausführung eines Bauteils für Weltraumfahrzeuge. Mit den Ergebnissen der „Untersuchungen zur Flüssigkeits-Gastrennung unter Anwendung poröser Medien bei kompensierter Gravitation“ wird jedoch eine quantitative Datenbasis geschaffen und bereitgestellt, die eine Übertragung der Erkenntnisse auf konkrete Anwendungen in der Weltraumexploration zulässt und somit eine Basis für innovative Konzepte von Flüssigkeitsleitungen bildet. Ergänzend zu den gewonnen Daten aus der Parabelflugkampagne liegt dem Forschungsteam eine Datenreihe aus Versuchen vor, die zuvor im Fallturm Bremen am ZARM durchgeführt wurden. Das Projekt wird vom DLR-Raumfahrtmanagement gefördert.

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Quelle: DLR.

Die 33. Parabelflugkampagne des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) stand ganz im Zeichen der Wissenschaft. Sie endete planmäßig am 14. März 2019 mit dem dritten Flugtag auf dem Flughafen Bordeaux-Mérignac in Frankreich. Der Airbus A310 ZERO-G der französischen Firma Novespace beherbergte zehn wissenschaftliche Experimente aus den Bereichen Humanphysiologie, Fundamentalphysik und Materialwissenschaften.

Darunter war auch wieder die Multi-Useranlage TEMPUS, eine Einrichtung zum Aufschmelzen und berührungsfreien Wiedererstarren von metallischen Legierungen. TEMPUS („Tiegelfreies elektromagnetisches Positionieren unter Schwerelosigkeit“) beinhaltet eine Vielzahl von Einzelexperimenten. Für das DLR Raumfahrtmanagement, das die Kampagnen ausrichtet, fällt die 33. Auflage zugleich in ein Jubiläumjahr: Vor 20 Jahren führte das DLR die erste eigenständige Parabelflugkampagne durch.

Wissenschaftler und Ingenieure führen ihre Experimente an Bord eigenhändig durch
„Unsere 33. DLR-Parabelflugkampagne zeichnete sich durch viele interessante Experimente aus – so hatten wir Wissenschaftler dabei, die mit ihren Versuchen das allererste Mal in Schwerelosigkeit forschten, aber auch flug-erfahrene Experimentatoren, die mit komplett neuen Aufbauten neue Fragestellungen untersuchten. Die Vorbereitungen zur Kampagne waren deshalb für die Wissenschaftler, aber auch für Novespace sehr intensiv, damit alle Experimente in der Zeit bis zur Kampagne flugfertig wurden. Ein paar der Versuche haben mit der Teilnahme an diesem Flug außerdem ihre Datenaufnahme beendet, sodass wir gespannt sind auf die Ergebnisse und nachfolgenden Publikationen“, bilanziert Dr. Katrin Stang, Parabelflug-Programmleiterin des DLR Raumfahrtmanagements.

Experimente mit Blick auf Weltraumanwendungen
Die Experimente der 33. Parabelflugkampagne stammten aus unterschiedlichen Forschungsgebieten und wurden an Universitäten und Instituten aus allen Teilen Deutschlands vorbereitet. So untersuchte etwa Dr. Tina Sorgenfrei vom Institut für Geo- und Umweltnaturwissenschaften der Universität Freiburg das Schmelzverhalten von technisch wichtigen Halbleiterkristallen bei Schwerelosigkeit.

Die Abwesenheit der Schwerkraft war auch die entscheidende Voraussetzung für die Experimente von Prof. Ralf Stannarius und Torsten Trittel von der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. Die Wissenschaftler untersuchten eine fundamentale Fragestellung der Fluiddynamik: die Oszillationen freischwebender flüssiger Membranen. Dafür regten sie zentimetergroße flüssigkristalline Blasen akustisch zu Schwingungen an. Der Mehrwert der Mikrogravitation in diesem Fall: die Objekte schwebten während der Aufzeichnung frei am Ort im Sichtbereich der Kamera.

In einem weiteren Experiment in Kooperation mit Prof. Jan Lagerwall von der Universität Luxembourg wurden ähnliche Blasen, flüssigkristalline Schalen, in wässriger Umgebung untersucht. In Abwesenheit der Schwerkraft ändern sie ihre Geometrie. Nach Polymerisation unter Mikrogravitation sollen symmetrische Objekte entstehen, die später im Labor untersucht werden können. „Unsere beiden Experimente OASIS und MiShell haben sehr gut funktioniert, unsere Erwartungen wurden übertroffen. Mit den Erkenntnissen aus dieser Kampagne werden wir zum fundamentalen Verständnis der Dynamik dünner flüssiger Filme beitragen“, hält Prof. Stannarius fest.

Annette Hagengruber und ihr Team vom Institut für Robotik und Mechatronik des DLR in Oberpfaffenhofen beschäftigten sich mit dem Thema, wie sich Muskelsignale verwenden lassen, um zum Beispiel einen Roboter fernzusteuern. Das ECOS getaufte Experiment („Elektromyographie für Teleoperierte Anwendungen in Schwerelosigkeit“) ging der Frage nach, wie eine solche Mensch-Maschine-Schnittstelle unter Weltraumbedingungen arbeitet. Die Probanden steuerten dabei einen Cursor mittels der Kontraktion verschiedener Muskelgruppen. Deren Aktivität wurde von acht kabellosen Elektroden am Ober- und Unterarm der Hand der Probanden gemessen.

Für den Einsatz im Weltraum liegt ein wesentlicher Vorteil des Systems in seiner Tragbarkeit, da die Sensoren auf der Haut angebracht werden. Darüber hinaus kann es gerade in der Schwerelosigkeit von Vorteil sein, dass sich das Referenzsystem der Schnittstelle mit dem Anwender bewegt und somit immer relativ zum Anwender ausgerichtet ist. Anette Hagengruber ist von ihren bisherigen Testergebnissen sehr angetan: „Unser Experiment hat erfreulicherweise wie erwartet funktioniert. Wir hatten weder Ausfälle bei den Testpersonen noch bei der Hardware. Zuhause werden wir nun die erhaltenen Daten analysieren. Nach dem guten Abschluss dieser Kampagne wollen wir in Zukunft die Bedingungen für unsere Probanden noch etwas komplexer gestalten.“

Ihrer Profession entsprechend war das kooperative Experiment von PD Dr. Ramona Ritzmann und Dr. Kathrin Freyler vom Institut für Sport und Sportwissenschaft der Universität Freiburg und Prof. Kirsten Albracht von der Fachhochschule Aachen sowie Prof. Marco Narici von der Universität Padua mit der Analyse von Bewegungen verbunden. Die Forschungsgruppe will mehr darüber erfahren, wie das Zentrale Nervensystem mit veränderten Gravitationsbedingungen umgeht und welche Folgen das für die Bewegungssteuerung hat. Dafür ließen sie die Versuchspersonen Sprünge ausführen, sogenannte Drop Jumps und Drop Landings, die mit vier verschiedenen Methoden im Detail analysiert wurden.

Die wissenschaftlichen Erfolgsaussichten für die humanwissenschaftliche Weltraumforschung betreffen vor allem neue Erkenntnisse über die Gesunderhaltung aber auch die Fortbewegung des Menschen bei variierenden Weltraumbedingungen. Hinsichtlich zukünftiger Flüge zum Mars und Mond ist das Wissen über die Anpassungsfähigkeit des menschlichen motorischen Systems von zentraler Bedeutung, wenn es darum geht, missions-kritische Aufgaben zu bewältigen. Eine große Anschlussfähigkeit ist zudem durch die Anwendung beim Astronautentraining zur Vorbereitung auf die ISS oder interplanetare Langzeitmissionen gegeben.

Dr. Kathrin Freyler freut sich: „Mit der Teilnahme an dieser Kampagne haben wir unsere Datenaufnahme zu diesem Projekt abgeschlossen. Erste Analysen haben gezeigt, dass wir spannende Ergebnisse zu erwarten haben, die wir in Zukunft weiter ausbauen möchten.“ Die Erkenntnisse können außerdem zum Verständnis von menschlicher Bewegung auch auf der Erde von Nutzen sein: sie können in die Entwicklung von Geräten und Trainingsprogrammen einfließen, die im Bereich der Rehabilitation Anwendung finden.

Seit 20 Jahren im Dienst der Schwerelosigkeit
Seit 1999 organisiert das DLR Raumfahrtmanagement regelmäßig eigene Parabelflüge für biologische, humanphysiologische, physikalische, technologische und materialwissenschaftliche Fragestellungen. Das aktuell genutzte Forschungsflugzeug, der A310 ZERO-G, startete im April 2015 zu seinem ersten wissenschaftlichen Parabelflug. Zuvor war ein Airbus A300 mit dieser Aufgabe betraut. Genutzt wird die von der französischen Firma Novespace angebotene Fluggelegenheit jeweils ein- bis zweimal jährlich auf wissenschaftlichen Kampagnen des DLR, der Europäischen Weltraumagentur ESA und der französischen Raumfahrtagentur CNES. Eine DLR-Parabelflugkampagne besteht in der Regel aus drei Flugtagen mit zirka vier Flugstunden, an denen jeweils 31 Parabeln geflogen werden.

Dabei steigt das Flugzeug aus dem horizontalen Flug steil nach oben, drosselt die Schubkraft der Turbinen und folgt dabei der Flugbahn einer Parabel. Während jeder Parabel herrscht für etwa 22 Sekunden Schwerelosigkeit. Insgesamt stehen so bei einer Flugkampagne etwa 35 Minuten Schwerelosigkeit – im Wechsel mit normaler und nahezu doppelter Erdbeschleunigung – zur Verfügung, die Forscher für ihre Experimente nutzen können.

Bis zu 40 Wissenschaftler können an einem Flug teilnehmen, bei dem sich zwischen zehn und 13 Experimenten an Bord befinden. Ein besonderer Vorteil für die Wissenschaftler und Ingenieure besteht darin, dass sie ihre vertrauten Laborgeräte verwenden können. Die Instrumente werden eigenhändig in die sogenannten „Racks“ (Halterungen) eingebaut, und die Wissenschaftler können auf der Kampagne die Experimente an Bord selbst durchführen und genauso kontrollieren wie in ihrem Labor auf der Erde. Parabelflüge finden zudem regelmäßig und zu kalkulierbaren und verlässlichen Terminen statt.

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