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 12. September 2023.

Am 12. September 2023 ist es (mal) wieder so weit: Der Airbus A310 der Firma Novespace ist um 9:00 Uhr vom Flughafen Bordeaux-Mérignac aus gestartet, um Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zusammen mit ihren Experimenten in die Schwerelosigkeit zu bringen. Es ist der erste von insgesamt drei Flügen in der 41. Parabelflugkampagne der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, die vom 4. bis zum 15. September 2023 in Bordeaux stattfindet. An Bord sind elf Experimente – fünf aus den Bereichen Biologie und Lebenswissenschaften, eins aus der Biotechnologie sowie drei aus der Grundlagenphysik, eins aus den Materialwissenschaften und eins aus dem Bereich Technologie.

Mit an Bord: ein deutsch-japanisches Experiment
„Mit an Bord der 41. Kampagne ist dieses Mal auch ein ganz besonderes Experiment: Denn wir haben ein Team aus Japan mit dabei, das gemeinsam mit einem deutschen Team der Planetenentstehung auf den Grund geht. Wir freuen uns sehr, dass unsere Flüge in die Schwerelosigkeit immer internationaler werden und auch Teams aus fernen Ländern die Chance ergreifen, ihre Experimente, in Kooperation mit deutschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, bei uns in die Schwerelosigkeit zu bringen“, freut sich Dr. Katrin Stang, Parabelflug-Programmleiterin bei der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, auf die anstehenden Flugtage. Das besagte deutsch-japanische Experiment „ice-DUST“ ist eines von drei neuen Experimenten und untersucht, wie sich Eis-Nanopartikel und Wassermoleküle zu immer größeren Staubpartikeln verklumpen, deren Entstehung dann letzten Endes zum Verständnis der Planetenentstehung beiträgt. Das ebenfalls neue Experiment „DALERA“ testet eine neue 3D-Bioprinting-Methode in Schwerelosigkeit für die medizinische und auch für die nichtmedizinische Anwendung. Das „Tears in Heaven“-Experiment untersucht, ob Messungen des Lidschlages und der Tränenfilmdynamik Rückschlüsse auf den Zustand der Augenoberfläche in Schwerelosigkeit zulassen.

Reserveastronautinnen bekommen Vorgeschmack auf Experimentieren in Schwerelosigkeit
Zwei Experimente haben auf dieser Kampagne zudem ein prominentes Teammitglied: Die deutsche ESA-Reserveastronautin Amelie Schoenenwald wird den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern im Experiment „TRANSEUGRA“ zur Seite stehen, um mehr über diese besonderen Einzeller in Erfahrung zu bringen. Die andere deutsche ESA-Reserveastronautin Nicola Winter wird beim „SCARLETT“-Experiment unterstützen und damit dazu beitragen, das Abrutschen eines Hügels, Berges oder Kraters auf einer simulierten Marsoberfläche zu untersuchen. So können die beiden schon einmal für einen möglichen Einsatz auf der Internationalen Raumstation ISS im freien Fall experimentieren und so einen Vorgeschmack auf die Arbeit in Schwerelosigkeit bekommen.

Ice-DUST – Wie Planeten aus Eis und Staub entstehen
In den Tiefen des Weltalls entsteht in kalten Molekülwolken auf den Oberflächen kosmischer Staubpartikel Wassereis. Kommt es darüber hinaus zur Bildung weiterer Moleküle, dann scheiden sich diese hauptsächlich auf den Eisoberflächen ab. Wenn sich später eine protoplanetare Scheibe und schließlich ein neues Planetensystem aus dieser Molekülwolke bildet, erhöht sich die Temperatur zuerst, bevor die protoplanetare Scheibe wieder abkühlt. Dadurch verdampft das Eis zunächst, ehe die Wassermoleküle sich auf den Staubteilchen wieder abscheiden. Die Sublimation findet im thermischen Gleichgewicht statt, während die Kondensation als Nicht-Gleichgewichts-Prozess abläuft und die Keimbildung miteinschließt. Daher sind theoretische Vorhersagen über die Bildung von Eispartikeln in jungen Planetensystemen schwierig und die Temperatur- und Dichtebedingungen für sublimiertes Eis, das den Staub wieder bedeckt, sind nicht eindeutig. Das deutsch-japanische Forscherteam der Technischen Universität Braunschweig will im Parabelflug durch Keimbildungsexperimente an Mineralstaub die wichtigsten physikalischen Größen wie freie Oberflächenenergie und Haftwahrscheinlichkeit von Eis-Nanopartikeln in der tatsächlichen Partikelgröße im Nanometerbereich und unter realistischen Temperatur- und Druckbedingungen bestimmen, um mehr über die Entstehung von Planeten zu erfahren.

DALERA – 3D-Bioprinting in Schwerelosigkeit
Wollen wir den Mond und später auch den Mars astronautisch erforschen, muss die Besatzung an Bord von Raumschiffen medizinisch versorgt und gleichzeitig der Betrieb lebenserhaltender Systeme verbessert werden. Für beides zeigt das 3D-Bioprinting – also der 3D-Druck unter Einbeziehung lebender Zellen – großes Potenzial. So können „maßgeschneiderte“ Gewebe für Menschen autark hergestellt werden, um Verletzungen der Besatzung wie zum Beispiel Hautwunden unabhängig von der Erde im Weltraum behandeln zu können. Darüber hinaus kann diese äußerst vielseitige Technologie auch für nichtmedizinische Anwendungen wie die Schaffung von Lebenserhaltungssystemen, die Produktion von Nahrungsmitteln oder zur Arzneimittelsynthese genutzt werden – beispielsweise durch das Biodrucken von Mikroalgen oder Pflanzenzellen. Die gewonnenen Erkenntnisse dieser Parabelflug-Mission sollen helfen, den Einfluss von Schwerelosigkeit auf den Druckprozess des 3D-Bioprintings besser zu verstehen. Das Team von der Technischen Universität/Uniklinikum Dresden will mit DALERA Experimente an Bord der Internationalen Raumstation ISS vorbereiten, auf der bis Ende 2026 ein 3D-Biodrucker von der Europäischen Weltraumorganisation ESA für Forschungszwecke installiert werden soll.

Tears in Heaven – Wie Tränen in Schwerelosigkeit richtig (ab)fließen
Astronautinnen und Astronauten sind in der Schwerelosigkeit besonderen Umgebungsbedingungen ausgesetzt, die sich auf ihre alltägliche Arbeit an Bord der Raumstation auswirken können. So treten zum Beispiel häufig Probleme mit der Augenoberfläche auf, die aber bisher nicht angemessen untersucht oder behandelt wurden. Zu den Symptomen vom Trockenen Auge gehören Augenreizungen, Überanstrengung der Augen, Fremdkörpergefühl und verschwommenes Sehen. Diese Symptome werden von Astronauten häufig angegeben, wobei über 30 Prozent der Mitglieder von ISS-Crews von Reizungen und Fremdkörpergefühlen berichten. Erste Analysen anhand von Portraitaufnahmen von Astronauten ergaben, dass beispielsweise die Augenbrauenhöhe signifikant in der Mikrogravitation zunimmt. Dies könnte sich negativ auf den Lidschlagprozess auswirken. Dabei ist ein gesunder Tränenfilm – und damit eine klare Sicht – eine der Voraussetzungen für funktionstüchtige Augen und gleichzeitig die Grundlage für ein erfolgreiches Arbeiten innerhalb und vor allem auch außerhalb der ISS. Die Forschungsarbeiten des Teams der Universität des Saarlandes auf der Erde haben gezeigt, dass Messungen des Lidschlages und der Tränenfilmdynamik Rückschlüsse auf den Zustand der Augenoberfläche zulassen. In dieser ersten Phase des Projekts „Tears in Heaven“ wollen sie testen, ob und wie sich Tränenfilm und Lidschlag in der Schwerelosigkeit und der doppelten Schwerkraft untersuchen lassen.

TRANSEUGRA – Wahrnehmung von Licht- und Schwerkraft bei Einzellern
Einzeller – wie zum Beispiel die Süßwasseralge Euglena gracilis – reagieren empfindlich auf Veränderungen in ihrer Umwelt. „Da sich aus dieser Alge biotechnologisch und medizinisch bedeutsame Substanzen mit breitem Anwendungsspektrum gewinnen lassen und sie daher zunehmend eine wichtige Rolle in der Biotechnologie spielt, wollen wir mehr zu deren Orientierungsverhalten bezüglich Licht und Schwerkraft herausfinden. Nur so kann die Massenproduktion dieser Alge in Zukunft weiter verbessert werden. Da ich mich schon während meines Studiums für Astrobiologie interessiert habe, freue ich mich jetzt besonders darauf, einmal selbst in Schwerelosigkeit Hand anlegen zu können. Das geht nur im Parabelflug oder auf der ISS“, erklärt Amelie Schoenenwald, die die Universität Erlangen bei ihren Versuchen unterstützt. So schwimmen die Zellen zum Beispiel auf schwache Lichtquellen zu und von starken Lichtquellen weg. Außerdem zeigen sie bei plötzlicher Veränderung der Lichtintensität ein Taumelverhalten. Die Zellen sind zusätzlich in der Lage, Schwerkraft wahrzunehmen und ihr Schwimmverhalten entsprechend auszurichten. Ohne Licht schwimmen die Zellen entgegen der Gravitation nach oben. Da sich die Signalwege der Licht- beziehungsweise Schwerkraftwahrnehmung überschneiden, soll in den Flugexperimenten unter anderem eine mögliche Interaktion untersucht werden. Nur in Schwerelosigkeit lässt sich die Wahrnehmung des Lichts getrennt von der der Beschleunigung untersuchen, da keine Erdanziehungskräfte auf die Zellen mehr wirken.

SCARLETT – Wenn Marshänge im Parabelflug ins Rutschen geraten
Der Mars hat eine extrem dünne Atmosphäre. Herrscht auf der Erde ein Druck von etwa 1.000 Hektopascal, so ist er auf dem Marsboden im Mittel gerade einmal sechs Hektopascal schwach. Dieser geringe Druck hat Folgen: Gas bewegt sich in den Poren von kalten zu warmen Stellen, was als thermisches Kriechen bekannt ist. In unserem Sonnensystem findet man dieses Phänomen nur im Marsboden. „Schon während meines Studiums hat mich interessiert, welchen Gesetzmäßigkeiten die Planeten in unserem Sonnensystem unterworfen sind. Als ich gefragt wurde, ob ich im Parabelflug an einem solchen Experiment mitwirken will, war ich sofort mit dabei. Denn so kann ich mich sehr gut auf einen späteren Einsatz im Weltraum vorbereiten“, sagt Nicola Winter, die in Bordeaux Forscherinnen und Forscher der Universität Duisburg-Essen unterstützt. In SCARLETT wird untersucht, ob und wie der Hang eines Hügels, Berges oder Kraters oberhalb eines bestimmten Neigungswinkels durch thermisches Kriechen abrutscht. Denn auch in Marskratern beziehungsweise auf Marshängen werden diese Hänge oberhalb eines bestimmten Winkels instabil und rutschen ab. Allerdings sind diese Hänge viel flacher als erwartet. Die Forscherinnen und Forscher wollen herausfinden, unter welchen Bedingungen und bei welchem Winkel die Hänge zu rutschen beginnen.

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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: 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.

Der Beitrag Freischwebende Blasen und Luftsprünge erschien zuerst auf Raumfahrer.net.