Quelle: NASA International Space Station, 21. November 2025

Forscher haben die einzigartige Mikrogravitationsumgebung genutzt, um Experimente durchzuführen, die auf der Erde nicht möglich sind, und damit die Forschung in verschiedenen Disziplinen verändert. Mehr als 4.000 Experimente haben die Grenzen der Wissenschaft erweitert, Entdeckungen angestoßen und wissenschaftliche Durchbrüche vorangetrieben.
„Vor 25 Jahren war die Expedition 1 die erste Besatzung, die die Internationale Raumstation ihr Zuhause nannte, und damit begann eine Phase kontinuierlicher menschlicher Präsenz im Weltraum, die bis heute andauert“, sagte Sean Duffy, amtierender Administrator der NASA. „Dieser historische Meilenstein wäre ohne die NASA und ihre Partner sowie alle Astronauten und Ingenieure, die dafür sorgen, dass in der erdnahen Umlaufbahn die Lichter nicht ausgehen, nicht möglich gewesen.“
Um ein Vierteljahrhundert Innovation in der Mikrogravitation zu feiern, stellt die NASA 25 wissenschaftliche Durchbrüche vor, die den nachhaltigen Einfluss der Station auf Wissenschaft, Technologie und Forschung veranschaulichen.

Den Weg zum Mond und Mars ebnen

Die NASA nutzt die Raumstation als Testgelände für die Entwicklung neuer Systeme und Technologien für Missionen außerhalb der erdnahen Umlaufbahn.

• Navigations-, Kommunikations- und Strahlenschutztechnologien, die sich an Bord der Raumstation bewährt haben, werden in Raumfahrzeuge und Missionen zum Mond und Mars integriert.
• Robotersysteme, beispielsweise ein Roboterchirurg und autonome Assistenten, werden das Spektrum der verfügbaren medizinischen Verfahren erweitern und es Astronauten ermöglichen, sich während Missionen fernab der Erde wichtigeren Aufgaben zu widmen.
• Astronauten haben recycelten Kunststoff und Edelstahl verwendet, um Werkzeuge und Teile im 3D-Druck herzustellen. Die Möglichkeit des 3D-Drucks im Weltraum schafft die Grundlage für Reparaturen und Fertigungen auf Abruf während zukünftiger Weltraummissionen, bei denen Nachschub nicht ohne Weiteres verfügbar ist.
• Vom Einsatz des ersten Holzsatelliten über Laserkommunikation bis hin zu selbstheilender Quantenkommunikation ist die Raumstation ein Testfeld für modernste Weltraumtechnologien.

Warum das wichtig ist:

Der Vorstoß der Menschheit zum Mond und zum Mars beginnt mit Entdeckungen in der erdnahen Umlaufbahn. Von der Demonstration, wie Astronauten außerhalb der Erde leben, arbeiten und Geräte reparieren können, bis hin zum Testen von Lebenserhaltungssystemen und fortschrittlichen Materialien – jede Innovation an Bord der Station trägt dazu bei, die Artemis-Mission der NASA und andere Erkundungsinitiativen voranzutreiben und die Menschheit ihrem Ziel näher zu bringen, außerhalb unseres Planeten zu gedeihen.

Leben außerhalb der Erde erhalten

Da die NASA sich darauf vorbereitet, im Rahmen des Artemis-Programms Menschen zum Mond zurückzubringen und weiter zum Mars vorzustoßen, ist die Aufrechterhaltung des Lebens außerhalb der Erde wichtiger denn je.

• Astronauten haben im Weltraum mehr als 50 Pflanzenarten angebaut, darunter Tomaten, Bok Choi, Römersalat und Chilischoten.
• Fortschrittliche Lebenserhaltungssysteme sind in der Lage, bis zu 98 % des Wassers im US-Segment der Raumstation zu recyceln – das ideale Niveau für Erkundungsmissionen.
• Die Gesundheitsdaten der Besatzung zeigen, wie sich der Weltraum auf das Gehirn, das Sehvermögen, das Gleichgewicht und die Kontrolle sowie die Muskel- und Knochendichte auswirkt, und dienen als Grundlage für Strategien zur Aufrechterhaltung der Leistungsfähigkeit von Astronauten während längerer Missionen und zur Verbesserung der Gesundheit auf der Erde.
• Forscher haben DNA im Orbit sequenziert und entwickeln Techniken zur Echtzeit-Bewertung des mikrobiellen Lebens im Weltraum, was für die Erhaltung der Gesundheit von Astronauten unerlässlich ist.

Warum das wichtig ist:

Durch den Anbau von Nahrungsmitteln, das Recycling von Wasser und die Verbesserung der medizinischen Versorgung im Weltraum ebnet die NASA den Weg für zukünftige Langzeitmissionen zum Mond und zum Mars und revolutioniert gleichzeitig die Landwirtschaft und Medizin auf der Erde.

Hilfe für die Menschheit auf der Erde

Die Forschung an Bord des umlaufenden Labors bringt die Menschheit nicht nur weiter in den Kosmos voran, sondern kann auch dazu beitragen, komplexe Probleme der menschlichen Gesundheit auf der Erde anzugehen. Durch die Bereitstellung einer Plattform für langfristige Mikrogravitationsforschung fördert die Raumstation Durchbrüche, die den Menschen auf der Erde direkte Vorteile bringen.

• Die Forschung an Bord der Raumstation liefert neue Erkenntnisse für die Entwicklung von Therapien für Krankheiten wie Krebs, Alzheimer, Parkinson und Herzerkrankungen, indem sie aufzeigt, wie die Mikrogravitation die Zellfunktionen verändert.
• Neue Entwicklungen in der Medizin für Krebs, Muskeldystrophie und neurodegenerative Erkrankungen sind aus der Züchtung von Proteinkristallen in der Mikrogravitation mit größeren, besser organisierten Strukturen hervorgegangen.
• Im Weltraum können hochwertige Stammzellen in größeren Mengen gezüchtet werden, was zur Entwicklung neuer regenerativer Therapien für neurologische, kardiovaskuläre und immunologische Erkrankungen beiträgt.
• Pionierarbeit im Bereich des 3D-Bioprintings, bei dem Zellen, Proteine und Nährstoffe als Ausgangsmaterial verwendet werden, hat zur Herstellung menschlicher Gewebestrukturen wie Knie-Menisken und Herzgewebe geführt – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Herstellung von Organen im Weltraum für Transplantationspatienten auf der Erde.
• Forscher verwenden miniaturisierte Gewebemodelle, um zu beobachten, wie sich der Weltraum auf Gewebe und Organsysteme auswirkt. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung und Erprobung von Medikamenten zum Schutz von Astronauten bei zukünftigen Missionen und zur Verbesserung von Behandlungen auf der Erde.
• Fotos, die von Astronauten aufgenommen wurden, haben mit gezielten Aufnahmen aus dem Weltraum die Notfallmaßnahmen bei Naturkatastrophen wie Hurrikanen unterstützt.
• Auf der Raumstation montierte Instrumente schützen wichtige Weltrauminfrastrukturen und liefern Daten über die natürlichen Muster des Planeten, indem sie die Ressourcen der Erde und das Weltraumwetter messen.

Warum das wichtig ist:

Die Mikrogravitationsforschung bringt uns der Herstellung menschlicher Organe im Weltraum für Transplantationen näher und eröffnet neue Wege zur Bekämpfung von Krebs, Herzerkrankungen, Osteoporose, neurodegenerativen Erkrankungen und anderen schweren Krankheiten, von denen Millionen Menschen weltweit betroffen sind. Die Station dient auch als Beobachtungsplattform zur Überwachung von Naturkatastrophen, Wetterverhältnissen und den Ressourcen der Erde.

Unser Universum verstehen

Die Raumstation bietet Wissenschaftlern einen unvergleichlichen Beobachtungspunkt, um mehr über das grundlegende Verhalten des Universums zu erfahren. Durch die Untersuchung kosmischer Phänomene, die normalerweise von der Erdatmosphäre blockiert oder absorbiert werden, und durch die Beobachtung der Physik auf atomarer Ebene können Forscher Geheimnisse erforschen, die von der Erde aus nicht untersucht werden können.

• Daten von Röntgenteleskopen an der Außenseite der Raumstation wurden in mehr als 700 Forschungsarbeiten veröffentlicht und haben dazu beigetragen, unser Verständnis von kollabierenden Sternen, Schwarzen Löchern und Wellen in der Raum-Zeit-Struktur zu verbessern.
• Forscher haben Milliarden von kosmischen Ereignissen aufgezeichnet und damit Wissenschaftlern bei der Suche nach Antimaterie und Signaturen dunkler Materie im Weltraum geholfen.
• Wissenschaftler haben auf der Raumstation den fünften Aggregatzustand der Materie erzeugt und untersucht, wodurch Forscher mithilfe der Quantenwissenschaft Technologien wie Weltraumnavigation, Satellitenbetrieb und GPS-Systeme auf der Erde weiterentwickeln können.

Warum das wichtig ist:

Die Forschung an Bord der Raumstation hilft uns dabei, die tiefsten Geheimnisse unseres Universums zu entschlüsseln, von den kleinsten Quantenteilchen bis hin zu den gewaltigsten kosmischen Explosionen. Beobachtungen von kollabierenden Sternen und Schwarzen Löchern könnten neue Navigationsinstrumente inspirieren, die kosmische Signale nutzen, und unser Verständnis von Raum und Zeit erweitern. Studien zu Antimaterie und dunkler Materie bringen uns dem Verständnis der 95 % des Universums näher, die für das menschliche Auge unsichtbar sind. Die Erzeugung des fünften Aggregatzustands im Weltraum eröffnet neue Quantenwege, die die Technologie auf der Erde und im Weltraum verändern könnten.

Neue Physik entdecken

Physikalische Prozesse verhalten sich in der Schwerelosigkeit anders und bieten Wissenschaftlern neue Perspektiven für Entdeckungen.

• Dank der Erforschung von Flüssigkeitssiedeverhalten, -rückhaltung und -strömung können Ingenieure effizientere Treibstoff- und Lebenserhaltungssysteme für zukünftige Raumfahrzeuge entwickeln.
• Die Analyse von Gelen und Flüssigkeiten, die mit winzigen Partikeln im Weltraum vermischt sind, hilft Forschern bei der Feinabstimmung von Materialzusammensetzungen und hat zu neuen Patenten für Konsumgüter geführt.
• Die Entdeckung von kalten Flammen im Weltraum, einem Phänomen, das auf der Erde nur schwer zu untersuchen ist, hat neue Horizonte in der Verbrennungswissenschaft und im Motorenbau eröffnet.

Warum das wichtig ist:

Durchbrüche in der Grundlagenphysik an Bord der Raumstation treiben Innovationen auf der Erde voran und fördern die Entwicklung von Treibstoff-, Temperaturregelungs-, Pflanzenbewässerungs- und Wasseraufbereitungssystemen für Raumfahrzeuge. Die Forschung im Bereich weicher Materialien verbessert Produkte in der Medizin, im Haushalt und im Bereich erneuerbare Energien, während Untersuchungen zu kühlen Flammen zu saubereren und effizienteren Motoren führen könnten.

Weltweiter Zugang zum Weltraum

Seit dem Jahr 2000 hat die Raumstation privaten Unternehmen, Forschern, Studenten und Astronauten aus aller Welt die Möglichkeit eröffnet, sich an der Erforschung des Weltraums zu beteiligen und die Menschheit auf ihrem Weg zum Mond und zum Mars voranzubringen.

• Die Raumstation ist eine Startrampe für die kommerzielle Weltraumwirtschaft, ermöglicht private Astronautenmissionen und beherbergt Hunderte von Experimenten kommerzieller Unternehmen, denen sie die Möglichkeit bietet, ihre Technologien durch Forschung im Orbit, Fertigungsdemonstrationen und Innovationen zu stärken.
• CubeSats, die von der Raumstation aus eingesetzt werden, ermöglichen es Studenten und Innovatoren auf der ganzen Welt, Funkantennen, kleine Teleskope und andere wissenschaftliche Demonstrationen im Weltraum zu testen.
• Mehr als eine Million Schüler haben über Amateurfunkveranstaltungen mit Astronauten kommuniziert, was die nächste Generation dazu inspiriert hat, sich für Naturwissenschaften, Technik, Ingenieurwesen und Mathematik zu begeistern.
• Mehr als 285 Besatzungsmitglieder aus über 25 Ländern haben den am längsten betriebenen Außenposten der Menschheit im Weltraum besucht, was ihn zu einem Symbol für globale Zusammenarbeit macht.

Warum das wichtig ist:

Die Raumstation hat die Weltraumwirtschaft ermöglicht, in der kommerzielle Forschung, Fertigung und Technologiedemonstrationen einen neuen globalen Marktplatz prägen. Die NASA und ihre internationalen Partner haben eine Führungsposition in der erdnahen Umlaufbahn eingenommen, neue Möglichkeiten für die Industrie geschaffen und den Weg für Erkundungsmissionen zum Mond, zum Mars und darüber hinaus geebnet.

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Quelle: idw.

05.05. 2022. Es hat die Farbe von Weißgold, doch es ist hart wie Quarzglas und weißt gleichzeitig eine hohe Elastizität auf. Die glatte und korngrenzenfreie Oberfläche macht das Material widerstandsfähig gegen Salze oder Säuren. Einzelstücke – etwa für medizinische Implantate – lassen sich im 3D-Druck herstellen, während größere Serien – etwa für Uhrgehäuse – im Spritzgussverfahren gefertigt werden. So ungefähr wird das Material der Träume beschrieben, an dem Wissenschaftler derzeit forschen. Die Rede ist von «metallischem Glas».
An der Empa beschäftigt sich Antonia Neels, die Leiterin des Empa-Röntgenzentrums, seit rund 15 Jahren mit diesem geheimnisvollen Material. Ihr Team untersucht die innere Struktur von metallischem Glas mit Hilfe verschiedener Röntgenmethoden und entdeckt dadurch Zusammenhänge mit Eigenschaften wie Verformbarkeit oder Bruchverhalten. Auch für Profis der Materialwissenschaften sind metallische Gläser eine harte Nuss: «Je genauer wir die Proben anschauen, desto mehr Fragen tauchen auf«, sagt Antonia Neels. Den Ehrgeiz der Forschenden stachelt das umso mehr an.

Gemeinsam ins All

In einigen Monaten wird eine Probe von metallischem Glas in der Schwerelosigkeit der internationalen Raumstation ISS untersucht. Eine Forschergruppe unter Beteiligung der Empa hat die Proben vorbereitet und bei der europäischen Raumfahrtagentur ESA zum Weltraumflug angemeldet. Die Speziallegierung liefert die Firma PX Group aus La Chaux-de-Fonds, die Materialien für die Uhrenindustrie und die Zahnmedizintechnik herstellt. Mit im Team sind auch die Forscher Markus Mohr und Hans-Jörg Fecht vom «Institute of Functional Nanosystems» der Universität Ulm sowie Roland Logé vom «Laboratory of Thermomechanical Metallurgy» der EPFL in Neuchâtel.
Die Herstellung von metallischem Glas ist nicht ganz einfach: Im Vergleich zu Fensterglas müssen die speziell ausgewählten Metall-Legierungen bis zu hundertfach schneller abgekühlt werden, damit sich die Metallatome nicht zu Kristallgittern zusammenlagern. Nur wenn die Schmelze schockartig erstarrt, bildet sie ein Glas. In der Industrie werden dünne Folien metallischer Gläser erzeugt, indem die Schmelze zwischen schnell rotierende Kupferwalzen gepresst wird. Forscher gießen bisweilen ihre Proben in Gussformen aus massivem Kupfer, das die Wärme besonders gut abführt. Doch größere, massive Werkstücke aus metallischem Glas sind mit diesen Methoden nicht machbar.

Der 3D-Druck hilft weiter

Ein möglicher Ausweg aus dem Dilemma ist der 3D-Druck im sogenannten Pulverbettverfahren. Ein feines Pulver der gewünschten Legierung wird für wenige Millisekunden mit einem Laser erhitzt. Die Metallkörnchen verschmelzen mit ihren Nachbarn zu einer Art Folie. Nun wird eine dünne Pulverschicht darübergelegt, der Laser verschmilzt das frisch aufgelegte Pulver mit der darunterliegenden Folie, und so entsteht nach und nach aus vielen kurz erhitzten Pulverkörnchen ein dreidimensionales Werkstück.
Für diese Methode ist eine feine Dosierung des Laserpulses notwendig. Brennt der Laser zu schwach aufs Pulver, verschmelzen die Partikel nicht miteinander, und das Werkstück bleibt porös. Brennt der Laser zu stark, dann schmilzt er auch die unteren Schichten erneut auf. Durch das mehrfache Aufschmelzen können sich die Atome neu anordnen, sie bilden Kristalle – und damit ist es mit dem metallischen Glas vorbei.

Röntgenmethoden und ihre außerordentliche Vielfalt

Im Röntgenzentrum der Empa hat das Team von Antonia Neels schon einige solcher Proben aus 3D-Druck-Experimenten analysiert. Die Ergebnisse werfen indes stets neue Fragen auf. «Manches deutet darauf hin, dass sich die mechanischen Eigenschaften der Gläser nicht verschlechtern, sondern im Gegenteil sogar verbessern, wenn die Probe kleine kristalline Anteile enthält», so Neels. «Nun gehen wir der Frage nach, wie groß dieser Kristallanteil im Glas sein muss, und welche Art Kristalle sich bilden müssen, um etwa die Biegsamkeit oder die Schlagfestigkeit des Glases bei Raumtemperatur zu erhöhen.»
Um dem Kristallwachstum in einer ansonsten amorphen Umgebung auf die Spur zu kommen, nutzen die Expertinnen und Experten der Empa verschiedene Röntgenmethoden. «Mit Strahlung verschiedener Wellenlängen können wir etwas über die Struktur der kristallinen Anteile erfahren, aber auch Nahordnungsphänomene der Atome in der Probe ermitteln – also die Eigenschaften der chemischen Bindungen bestimmen», erläutert Neels. Zusätzlich verrät die bildgebende Röntgenanalyse, das sogenannte mikro-CT, etwas über Dichteschwankungen in der Probe. Dies deutet auf Phasenentmischung und Kristallbildung hin. Die Dichteunterschiede zwischen den glasigen und den kristallinen Bereichen sind allerdings nur winzig klein. Es braucht daher eine detaillierte Bildbearbeitung, um die dreidimensionale Verteilung der kristallinen Anteile sichtbar machen zu können.

Parabelflug im Airbus

Doch allein mit Materialproben aus dem 3D-Laserdrucker lässt sich das Rätsel um die metallischen Gläser nicht vollständig lösen. «Wir müssen wissen, bei welchen Temperaturen diese Kristalle entstehen, wie sie wachsen – um darüber stabile Herstellungsprozesse zu definieren», erläutert Röntgenspezialistin Neels. Wichtige Informationen liefern thermo-physikalische Parameter der Schmelze wie etwa Viskosität und Oberflächenspannung. Ideale Bedingungen für diese Analysen bieten Experimente auf der ISS. Vorexperimente finden in Parabelflügen statt.
Schon 2019 sind die ersten Tröpfchen aus metallischem Glas versuchsweise geschwebt. Ein speziell umgerüsteter Airbus A310 der Firma Novespace flog mit einer Materialprobe einen Schwerelosigkeitsflug. An Bord waren Wissenschaftler aus Ulm und ein kleines, metallisches Glaströpfchen der Firma PX Group aus La Chaux-de-Fonds. Das metallische Glas, das die Forschergruppe untersucht, besteht aus Palladium, Kupfer, Nickel und Phosphor. Im Versuch namens TEMPUS (Tiegelfreies elektromagnetisches Prozessieren unter Schwerelosigkeit) wurde das Glaströpfchen mittels eines Magnetfelds in der Schwebe gehalten und per Induktion auf bis zu 1500 Grad Celsius erhitzt. Während der Abkühlungsphase versetzten zwei kurze Induktionsstrom-Pulse das glühende Tröpfchen in Schwingungen. Eine Kamera zeichnete den Versuch auf. Nach der Landung wurde die Materialprobe im Röntgenzentrum der Empa analysiert.

Warum die ISS mehr Ergebnisse liefert

Die Auswertung des Videos aus dem Parabelflug lässt Rückschlüsse auf die Viskosität und die Oberflächenspannung des Tröpfchens zu – wichtige Daten, um die Herstellung von metallischen Gläsern mit bestimmten Eigenschaften besser steuern zu können. Doch die Zeit der Schwerelosigkeit während des Flugs währt nur 20 Sekunden – zu wenig für eine detaillierte Analyse. Das geht nur auf der ISS.
So ist nun eine Probe des gleichen Materials für einen Flug im europäischen COLUMBUS-Modul der ISS angemeldet. Dort ist seit 2014 der elektromagnetische Schwebeofen ISS-EML installiert. Jeweils 18 Materialproben fliegen mit, werden automatisch durchgewechselt und können von Forschern auf der Erde per Video-Stream beobachtet werden. Das metallische Glas aus der Schweiz geht mit der nächsten Probencharge auf die Reise ins All.

Per Computersimulation zu neuen Gussverfahren

Aus den weit detaillierteren Daten des Weltraumflugs wollen die Forscher eine Computersimulation der Schmelze generieren. Damit sind alle Antworten durch eine Kombination von Experimenten auf der Erde und im All in einem einheitlichen Modell versammelt: Bei welcher Temperatur herrscht welche Viskosität und Oberflächenspannung? Wann bilden sich Kristalle welcher Zusammensetzung, Größe und Ausrichtung? Wie beeinflusst diese innere Materialstruktur die Eigenschaften des metallischen Glases? Aus all diesen Parametern wollen die Forscher gemeinsam mit dem Industriepartner PX Group eine Herstellungsmethode entwickeln, um das begehrte Material in definierter Form produzieren zu können. In den nächsten Jahren gibt es für die Materialforscherinnen und -forscher in allen beteiligten Teams also noch allerhand zu tun.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Antonia Neels
Center for X-ray Analytics
Antonia.Neels@empa.ch

Originalpublikation:

M Mohr, R Wunderlich, K Zweiacker, S Prades-Rödel, R Sauget, A Blatter, R Logé, A Dommann, A Neels, WL Johnson, HJ Fecht; „Surface tension and viscosity of liquid Pd₄₃Cu₂₇Ni₁₀P₂₀ measured in a levitation device under microgravity„; npj Microgravity (2019); DOI:10.1038/s41526-019-0065-4.

Weitere Informationen:

https://www.empa.ch/web/s604/cosmic-glass Empa Homepage
https://www.uni-ulm.de/universitaet/hochschulkommunikation/presse-und-oeffentlic… Homepage der Uni Ulm
https://www.esa.int/Space_in_Member_States/Germany/Projekt_EML_Schwebende_Metall… ESA-Homepage
https://pxgroup.com/de/news/category-nachrichten/metallisches-glas-der-pxgroup-s… Page PXGroup

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