Quelle: OHB SE.

Oberpfaffenhofen. Seit 20 Jahren wird an Bord der Internationalen Raumstation ISS mit Plasmakristall-Anlagen sehr erfolgreich Grundlagenforschung betrieben. Die zur Raumfahrt- und Hochtechnologiegruppe OHB SE gehörende OHB System AG war von Anfang an maßgeblich beteiligt. Das aktuelle Forschungslabor PK-4 ist ein europäisch-russisches Projekt und wurde gerade zum elften Mal genutzt.

Die ISS ist ein idealer Ort für die Erforschung von Plasmakristallen, denn sie können in der Schwerelosigkeit frei schweben und sind somit nicht auf wenige Gitterebenen beschränkt. Dank der Zusammenarbeit zwischen Kosmonauten und den Experten auf der Erde kann vielseitig geforscht werden. „Wir haben uns über all die Jahre als Partner der deutschen, europäischen und russischen Raumfahrtagenturen bewährt, denn wir verstehen es, die Anforderungen der Wissenschaftler in raumfahrttaugliche und zuverlässige Forschungsanlagen umzusetzen“, erklärt Dr. Andreas Winkler, Direktor Exploration, Wissenschaft und Astronautische Raumfahrt. „Mit PK-4 kann systematisch untersucht werden, wie sich Mikropartikel in komplexen Plasmen verhalten.“

Die aus den Experimenten resultierenden Daten und die entwickelte Technologie liefern Grundlagenwissen und werden für verschiedene astrophysikalische Fragestellungen oder künftige Anwendungen in Halbleitertechnologie oder Medizin herangezogen. Über hundert wissenschaftliche Veröffentlichungen belegen die Bedeutung und das Potential komplexer Plasmen. Die bislang durchgeführten Experimente mit unterschiedlichen Anlagen und Zielsetzungen, haben zu einer beachtlichen Datenmenge geführt, die das Verständnis von der Physik kondensierter Materie bereits erweitert und vertieft hat.

„Bei der elften PK-4-Kampagne ging es uns gezielt um Anregung von turbulenter Strömung, um Kollisionen von Partikelwolken mit unterschiedlichen Partikelgrößen, Anregung von Scherflüssen mittels Laserstrahlung und Eingrenzung von Wellenphänomenen, alles Themen aus der Flüssigkeitsphysik“, erklärt Dr. Hubertus Thomas vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Er leitet die Gruppe Komplexe Plasmen des DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum und führt auf deutscher Seite die wissenschaftliche Arbeit mit PK-4. “Die Daten, die uns während der Experimente live übermittelt wurden, zeigen, dass die Anlage perfekt gearbeitet hat und wir interessante Daten bekommen die uns tiefe Einblicke in diese physikalischen Phänomene liefern.“

PK-4 ist Nummer 3
PK-4 kam 2014 an Bord der Raumstation und wurde als permanente Forschungsanlage im europäischen Columbus-Modul installiert. Es handelt sich um die dritte Plasmakristall-Anlage für die ISS, an der OHB maßgeblich beteiligt ist. Mit der ersten Anlage, PKE-Nefedov, waren im März 2001 die Forschungsarbeiten auf der damals noch recht neuen Raumstation mit der ersten permanenten Crew eingeläutet worden.

Durch eine Gleichstromentladung erzeugt die Forschungsanlage PK-4 in ihrer mit einem Edelgas gefüllten Glasröhre dreidimensionale komplexe Plasmen, die ein wenig an Wolkenformationen erinnern. „Wir haben die PK-4-Anlage gemeinsam mit den Wissenschaftlern speziell für die Untersuchung der flüssigen Phase komplexer Plasmen auf kinetischem Level konzipiert“, erklärt Roland Seurig vom OHB-Raumfahrtzentrum Optik und Wissenschaft in Oberpfaffenhofen bei München. „Es geht um Strömungseigenschaften wie Turbulenzen in den erzeugten Mikropartikelwolken. Es zeigen sich Selbstorganisationseffekte wie Ketten- und Linienbildung, Entmischung, Wirbelbildung und Synchronisation. Komplexe Plasmen und die Zusammenarbeit mit den Kosmonauten verlieren auch nach vielen Jahren nichts von ihrer Faszination.“

PK-4 ist im EPM-Rack (European Physiology Module) untergebracht, das ebenfalls von OHB verantwortet wird und dafür sorgt, dass das Plasma-Labor ausreichend mit Strom versorgt und gekühlt wird.

Corona ändert bewährte Abläufe
Normalerweise gibt es bei den PK-4 Missionen zwei Hauptschauplätze: Das Columbus-Labor im Weltraum und das Bodenkontrollzentrum CADMOS in Toulouse. Über die EPM-Bodeninfrastruktur können die Experimente vom Boden aus gesteuert und die Wissenschaftler mit den Daten versorgt werden. Corona-bedingt konnten die Wissenschaftler die Experimente nicht von CADMOS aus betreuen, sondern wichen auf eine Remote-Steuerung aus. So konnten die Experimentläufe von verschiedenen Standorten aus beobachtet und gesteuert werden.

OHB sorgt für verbesserte Übertragung der Experiment-Daten
Zwei weitere PK-4-Missionen stehen in 2021 an; drei sind für das Jahr 2022 geplant. Beginnend mit der 3. Wissenschaftsmission in 2021 soll alles viel schneller gehen: Die aufgezeichneten Experimentdaten werden dann von der ISS direkt zur Bodenstation in Oberpfaffenhofen übertragen und von dort weiter an CADMOS und die beteiligten Wissenschaftler. Die dafür notwendige und von OHB im Auftrag von CNES/CADMOS gelieferte Hard- und Software wird im Juli 2021 mit einem Progress-Raumfahrtzeug zur ISS gebracht. Dank dieser neuen Datentransfer-Methode können die aufwändigen Festplattentransporte zu und von der Raumstation entfallen und die Wissenschaftler erhalten schneller Zugriff auf die Experimentdaten.

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Quelle: DLR

6. Dezember 2019 – Dreidimensionale komplexe Plasmen im Weltraum standen am 5. und 6. Dezember 2019 im Mittelpunkt des „PK-4 Meetings“ des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen. Die 60 Teilnehmerinnen und Teilnehmer tauschten sich über die wissenschaftlichen Ergebnisse des Plasmakristall-Labors PK-4 aus, das sich seit fünf Jahren an Bord der Internationalen Raumstation ISS befindet und von der OHB Systems AG betreut wird. Zuletzt wurde im November eine Experimentreihe mit Unterstützung des russischen Kosmonauten Alexander Skvorzow durchgeführt. Die Bilanz nach der achten Mission des Plasmalabors fiel durchweg positiv aus.

„Auch nach fünf Jahren erhalten wir neue Erkenntnisse. Denn PK-4 erlaubt als vielfältiges Labor einer großen Nutzergemeinschaft sehr breite Forschungsmöglichkeiten, die noch lange nicht ausgeschöpft sind“, erklärt Dr. Hubertus Thomas, der die Arbeitsgruppe Komplexe Plasmen des DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum leitet und auf deutscher Seite die wissenschaftliche Arbeit mit PK-4 führt. „Erste Erkenntnisse über den Erfolg der Experimente können wir anhand des Live-Datenstroms erhalten, der uns während der Durchführung im Kontrollzentrum in Toulouse zur Verfügung steht.“

PK-4 ist seit 2001 das dritte Plasmalabor, mit dem auf der ISS geforscht wird. Die experimentelle Hardware wurde von der OHB Systems AG mit den Forschern konzipiert und umgesetzt. „Auch beim achten Einsatz hat sich unser Plasmalabor bewährt“, sagt Roland Seurig, Projektleiter PK-4 bei der OHB-System AG. „Ein Highlight ist immer wieder die enge Zusammenarbeit zwischen Kosmonauten auf der Raumstation und den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern im Kontrollraum, damit die besten Ergebnisse erzielt werden.“

Erkenntnisse vielfältig einsetzbar
Plasma ist neben fest, flüssig und gasförmig der vierte Aggregatzustand von Materie. Plasmen sind geladene, also elektrisch leitende Gase. Im All befindet sich mehr als 99 Prozent der sichtbaren Materie, etwa Sterne und Gaswolken, in diesem Aggregatzustand. Hier auf der Erde kommen Plasmen als Blitze vor, aber auch als künstlich hergestellte Materie in Leuchtstoffröhren oder Plasmafernsehern. Komplexe Plasmen sind aus Ionen, Elektronen, Neutralgas und Mikropartikeln zusammengesetzte Plasmen. Die elektrostatische Wechselwirkung der stark negativ aufgeladenen Mikropartikel zeigt eine Fülle interessanter Phänomene auf. Am DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum ist die physikalische Forschung unter Schwerelosigkeit eines der Hauptthemen.

„Wir möchten durch die Forschungsarbeit an komplexen Plasmen neue Erkenntnisse über die Physik kondensierter Materie und für verschiedene astrophysikalische Fragestellungen erlangen. Als Modellsysteme können komplexe Plasmen in der Kristallografie, der Physik von Flüssigkeiten und Gasen oder in der Nanotechnologie genutzt werden“, erklärt Thomas. „Darüber hinaus kann das gewonnene technologische Know-how auch den Weg für künftige Anwendungen der Plasmatechnologie in der Mikrochip-Produktion oder im medizinischen Bereich ebnen.“

Forschungsstandort ISS
In der Schwerelosigkeit können sich die Mikropartikel ungehindert im Raum ausbreiten und bilden geordnete dreidimensionale Kristallstrukturen. Die Internationale Raumstation bietet daher ideale Bedingungen für die Plasmaforschung. Hier können die Wissenschaftler systematisch untersuchen, wie sich Mikropartikel in komplexen Plasmen verhalten. Dabei geht es um Selbstorganisationseffekte wie Ketten- und Linienbildung, Entmischung, Wirbelbildung und Synchronisation.

PK-4 wurde speziell für den Einsatz auf der ISS ausgelegt und ist im EPM-Rack (European Physiology Module) des europäischen Forschungsmoduls Columbus untergebracht. Über die EPM-Bodeninfrastruktur wird sichergestellt, dass die Experimente vom Boden aus steuerbar sind und die Wissenschaftler mit den Daten versorgt werden. Für die Systemaufgaben des Plasmalabors ist OHB im Auftrag der ESA zuständig und stellt Stromversorgung, Kommunikation und Datenaufzeichnung während der Experimente sicher.

Die Plasmakristall-Experimente zählen zu den erfolgreichsten Forschungsprojekten auf der ISS seit ihrem Programmbeginn 2001. Bis dato konnten die Wissenschaftler ihre Erkenntnisse bereits in mehr als 100 Publikationen zusammenfassen – und die Datenauswertungen der bereits geführten Experiment sind noch lange nicht abgeschlossen. Weiterhin ist der Betrieb der Internationalen Raumstation bis 2028 gesichert, wie aus dem aktuellen Beschluss der Ministerratskonferenz der ESA-Mitgliedstaaten Ende November hervorgegangen ist. So können die Plasmaforscher den einzigartigen Forschungsstandort für neue Experimentreihen nutzen – zur Erweiterung des Grundlagenwissens in der Physik und der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten für das Leben auf der Erde.

Über das Projekt
Das Plasmakristall-Labor PK-4 ist ein Projekt der europäischen Weltraumorganisation ESA und der russischen Raumfahrtbehörde ROSKOSMOS, mit wissenschaftlicher Führung der Arbeitssgruppe Komplexe Plasmen des DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum (ehemals Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, MPE) und der Russischen Akademie der Wissenschaften (Joint Institute for High Temperatures). Das Forschungslabor PK-4 wurde von der OHB System AG (ehemals Kayser Threde) in Zusammenarbeit mit MPE entwickelt und realisiert. Zusätzliche Finanzierung des Projekts in Deutschland erfolgte durch das Raumfahrtmanagement des DLR und der Max-Planck-Gesellschaft.

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Quelle: OHB SE.

Bremen/Oberpfaffenhofen, 3. Mai 2019. Die von der OHB System AG, ein Tochterunternehmen der OHB SE, und der US-Firma Ocean Optics im Auftrag der Europäischen Weltraumagentur ESA entwickelte Nutzlast SPECTRODemo hat einen ersten Datensatz von der Internationalen Raumstation ISS zur Erde übertragen. Bei SPECTRODemo handelt es sich um den Technologiedemonstrator eines für die Analyse von Proben im Weltraum modifizierten UV/VIS-Spektrometers. Hintergrund der Entwicklung ist der geplante Aufbau einer exobiologischen ESA-Forschungseinrichtung außerhalb der ISS. SPECTRODemo soll Informationen über die Einsetzbarkeit und Verlässlichkeit der UV/VIS-Spektroskopie in-situ, das heißt, bei der Analyse von Proben im Weltraum, liefern.

Exobiologie: Die Frage nach Leben im All
Die Exobiologie, die sich mit der Frage nach Leben im All beschäftigt, untersucht unter anderem die Auswirkungen von Weltraumbedingungen auf biologisches Material. Forschungseinrichtungen in einem niedrigen Erdorbit (LEO) mit der Möglichkeit, Proben für einen längeren Zeitraum Weltraumbedingungen auszusetzen, sind ideal, um die Effekte von kosmischer und solarer Strahlung auf verschiedene biologische und nicht-biologische Materialien zu untersuchen. Zu diesem Zweck haben Wissenschaftler bisher die EXPOSE-Einrichtung der ISS genutzt, die die Möglichkeit bietet, Proben Weltraumbedingungen auszusetzen und anschließend nach Rücktransport zur Erde zu analysieren.

Um Proben in-situ und nahezu in Echtzeit überwachen zu können, plant die ESA die Entwicklung einer neuartigen Einrichtung zur exobiologischen Forschung. Diese soll bis zu sieben Experimente gleichzeitig aufnehmen können und den Wissenschaftlern Erkenntnisse in Bezug auf die Entwicklung des Sonnensystems und die Entstehung des Lebens liefern.

Als nicht-invasive Methode zur Analyse von Proben bietet sich insbesondere die UV/VIS-Spektroskopie an. Die mit dieser Methode messbaren Veränderungen der Absorptionsspektren im Bereich der ultravioletten bis sichtbaren elektromagnetischen Strahlung sollen die Auswirkungen der Sonnenstrahlung auf die chemische Beschaffenheit der Proben sichtbar machen. Der Technologiedemonstrator SPECTRODemo nutzt dabei die für die Instrumente der neuen Versuchseinrichtung geplante Konfiguration von optischen Komponenten und bietet dadurch die Möglichkeit, diese vorab auf ihre Verlässlichkeit zu testen.

Betrieben wird SPECTRODemo im European Physiology Module (EPM), einer Versuchseinrichtung, die ebenfalls von OHB gebaut wurde und ihrerseits im europäischen Columbus-Labor integriert ist. Das EPM bietet mehrere Einschübe für Versuche und besitzt zudem Schnittstellen für weitere externe Experimente.

Zusammenarbeit zwischen den Standorten
Das Projekt SPECTRODemo ist ein Musterbeispiel für die Zusammenarbeit zwischen den OHB-Standorten in Bremen und Oberpfaffenhofen, da es die im OHB-Raumfahrtzentrum „Optik und Wissenschaft“ in Oberpfaffenhofen beheimatete Expertise in Bezug auf komplexe Optiken mit der langjährigen ISS-Payload-Erfahrung der Abteilung Astronautische Raumfahrt bei OHB in Bremen kombiniert.

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Erstellt von Daniel Maurat

Das europäische Forschungsmodul Columbus bzw. COF (Columbus Orbital Facillity für Orbitalmodul Columbus) wurde benannt nach dem Entdecker Christoph Columbus und ist der Hauptbeitrag der europäischen Weltraumorganisation ESA zur Internationalen Raumstation. Hier gibt es Platz für zahlreiche Laborkomplexe. Zudem können auch außerhalb des Moduls Experimente angebracht werden.

Entwicklung und Bau

Die Entwicklung von Columbus begann 1985, als die USA andere Staaten zum Bau ihrer geplanten Raumstation Freedom in den 1980er Jahren einlud. Die ESA plante aber nicht nur, ein Modul für die Station zu bauen (APM oder Attached Pressurized Module für Angekoppeltes, unter Druck stehendes Modul) sondern auch eine freifliegende Plattform auf einer polaren Umlaufbahn (PPF oder Polar Platform für Polare Plattform) und ein frei fliegendes bemannbares Modul (MTFF oder Men-tended Free Flyer für bewohnbares, freifliegendes Modul). Dabei hätte das MTFF, eher eine Mini-Raumstation als ein Modul, zu Versorgungszwecken entweder an Columbus andocken können oder wäre von einem geplanten Hermes-Gleiter der ESA versorgt worden. Nachdem aber die Kosten explodierten und Russland in das Programm einstieg, wurde das Columbus-Projekt massiv abgespeckt: das MTFF wurde ganz gestrichen (z.T. auch, weil Hermes nicht realisiert wurde). Das PPF wurde als separates Projekt abgewickelt und als Envisat im Jahre 2002 auch gestartet. Auch beim APM wurde gekürzt, sodass das Modul nur noch halb so lang wurde wie geplant, nämlich von zwölf Metern auf sechs. Der Auftrag zum Bau wurde schließlich 1996 erteilt, neun Jahre nach Beginn der Planungen. Er umfasste ein Finanzvolumen von 880 Mio Euro, wovon Deutschland, welches schon das Spacelab-Forschungsmodul für Shuttlemissionen baute, 480 Mio Euro übernahm.

Gebaut wurde Columbus von einer Tochter des europäischen Luft- und Raumfahrtkonzerns EADS, EADS Astrium Space Transportation mit Sitz in Bremen und 41 Unterauftragnehmern. Das Grundgerüst wurde von der italienischen Firma Thales Alenia Space, welche auch die MPLM-Versorgungsmodule, die beiden Knotenmodule Harmony und Tranquillity, sowie die Aussichtskuppel Cupola für die NASA baute, in Turin montiert. Dort wurden auch die meisten mechanischen Elemente wie Lebenserhaltung, Kopplungsmechanismus etc. eingebaut. Im September 2001 wurde das halbfertige Modul von Turin nach Bremen gebracht, wo der Endausbau vorgenommen wurde. Am 2. Mai 2006 wurde das Modul der ESA übergeben und schon am 27. Mai wurde Columbus auf eine dreitätigen Reise mit einer Airbus Beluga nach Cape Caneveral, Florida, geschickt, wo es in der Space Station Processing Facility auf seinen Start wartete.

Aufbau

Columbus ist, wie alle anderen Module des US-basierten Teils der ISS auch, eine Röhre aus Aluminium. Basierend auf dem MPLM, hat es dieselben Maße wie dieses. Das Modul besitzt einen passiven CBM, mit dem Columbus an Harmony-Steuerbord angekoppelt wurde. Im Inneren ist Platz für zehn Standard-Racks. Mit Columbus wurden das Fluid Science Laboratory (FSL für Flüssigkeitsforschungslabor), welches das Verhalten von Flüssigkeiten im All untersucht, die European Physiology Modules (EPM für Europäisches Physiologiemodule), die verschiedene medizinische Aspekte in Teilbereichen wie Neurologie und Kardiologie untersucht, Biolab, in welchem biologische Proben wie Bakterien, Zellen oder sogar kleinen Wirbellose wie Insekten untersucht werden, das European Drawer Rack (EDR für Europäisches Fach-Rack), in welchem viele verschiedene Experimente wie Proteinzüchtung betrieben werden können, sowie das European Storage Rack (für Europäisches Lager-Rack) das zur Lagerung von Ersatzteilen dient, gestartet. Schon zuvor wurden die Microgravity Science Glovebox (Wissendschaftliche Mikrogravitations-Handschuhbox), in dem Experimente unter totaler Isolation von der Umgebung durchgeführt werden können, der European Transport Carrier (ETC für Europäischer Transportträger), in dem Nutzlast transportiert werden kann sowie das Material Science Laboratory – Electromagnetic Levitator (MSL-EML für Materialwissendschaftliches Labor – Elektromagnetischer Schmelzer), in dem im Vakuum Metallproben geschmolzen und untersucht werden können, zur Station gebracht.

An der Außenhaut gegenüber des Kopplungsstutzens können ebenfalls Experimente angebracht werden. Zur Zeit ist dort das Solar Monitoring Observatory (Solar bzw. SMO für Sonnenbeobachtendes Observatorium), mit dem die Sonne beobachtet wird. Zuvor war auch die European Technology Exposure Facility (EuTEF für europäische Techologieforschungseinrichtung) angebracht, um Material auf seine Weltraumbeständigkeit zu untersuchen, die Erde zu beobachten und die noch vorhandene Restatmosphäre zu untersuchen. Es wurde während der Shuttlemission STS 128 im September 2009 zur Erde zurück gebracht, um dort die dem Weltraum ausgesetzten Proben zu untersuchen. Geplant ist auch, zwei Atomuhren mit der Bezeichnung Atomic Clock Ensemble in Space (ACES für Atomuhren im Weltall) um 2013 entweder mit einem japanischen HTV oder einer amerikanischen Dragon-Kapsel zu starten. Dabei sollen Relativitätseffekte untersucht werden und das Atomuhrsystem fü das geplante europäische Navigationssystem Galileo getestet werden.

Im Orbit

Gestartet wurde Columbus während der Shuttlemission STS 122 des Space Shuttles Atlantis am 7. Februar 2008 vom Kennedy Space Center in Cape Caneveral, Florida. Nach zwei Tagen dockte die Atlantis an die ISS an. Am 11. Februar wurde Columbus mithilfe des Stationsroboterarms SSRMS/Canadarm 2 aus der Ladebucht der Atlantis gehievt und an den Steuerbordkopplungsstutzen von Harmony angedockt. Dafür waren die beiden Astronauten Stan Love und Rex Walheim ausgestiegen und schafften Daten- und Kühlmittelverbindungen. Einen Tag später, am 12. Februar, wurden die Schleusen zu Columbus erstmals geöffnet und das Modul in Betrieb genommen. Am 13. Februar führten Walheim und der Deutsche Hans Schlegel eine EVA (Extravehicular Activitie für Außenbordeinsatz) durch, um Teile der Station zu warten und weiter an Columbus zu arbeiten. Beim zwei Tage später am 15. Februar stattfindenden dritten Außenbordeinsatz montierten Walheim und Love schließlich die beiden Experimente EuTEF und Solar/SMO an Columbus. Danach koppelte die Atlantis von der Station ab und landete am 20. Februar im Kennedy Space Center.

Nach STS 122 nahm die Bodenstation von Columbus, Col-CC (Columbus Control Center für Columbus Kontrollzentrum), im Raumfahrt-Kontrollzentrums des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen bei München seinen Betrieb auf. Von dort aus werden alle Abläufe, die mit Columbus zu tun haben, geplant und gesteuert. Zudem hat das Col-CC eine ständige Verbingung zu den Kontrollzentren der in Housten (USA) und Koroljow bei Moskau, um mit ihnen verschiedene Experimente und Einsätze zu koordinieren.

Verwandte Webseiten:

• Informationen zu Columbus auf der NASA-Homepage (engl.)
• Artikel in Wikipedia
• Datenblatt der NASA (engl.)
• Informationen zu Columbus auf der ESA-Homepage (engl.)
• Informationen zu Columbus auf der DLR-Homepage

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