Quelle: DLR.

2. August 2021 – Von Sonnensegeln über Photovoltaikmodule bis hin zu entfaltbaren Weltraumflügeln, die ihre Funktionalitäten bei Ohrenkneifern und Libellen abgeguckt haben – die Versuche des DLR-Instituts für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, die bei der 37. Parabelflugkampagne der Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit an Bord waren, standen ganz im Zeichen der „Entfaltung“.

Es ist nicht viel Platz an Bord von Raketen. Oft werden in der Raumfahrt funktionale Flächen benötigt, die vor dem Start kompakt sind, aber im Orbit sehr groß werden müssen. Beispiele dafür sind die photovoltaischen Solarmodule der ISS, Antennen an Satelliten zur Kommunikation und Erdüberwachung und zukünftig auch Bremssegel zum gezielten Abbremsen und somit für einen beschleunigten Wiedereintritt von ausgedienten Satelliten oder Sonnenblenden (Solar Shades) sorgen. Auch Sonnensegel zum Antrieb von Satelliten können zukünftig solche Anwendungen darstellen.

Doch vorher sind viele technische Herausforderungen zu lösen: Wie bekommt man beispielsweise große Segel, möglichst klein und leicht für den Transport? Was macht die dünnen, leichten Masten haltbar genug für riesige Weltraumflügel oder Photovoltaikmodule? Wie können die Verbindungsstücke zwischen Mast und Satellit die Kräfte, die auf sie einwirken, optimal halten?

Mit all diesen Fragen beschäftigen sich die fünf Experimente des Braunschweiger DLR-Instituts für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, die mit dem Parabelflug am 23. Juli 2021 von Paderborn aus gestartet sind. In 31 Parabeln befanden sich die Forschenden jeweils für 22 Sekunden in Schwerelosigkeit und konnten so die Entfaltungsmechanismen unter ähnlichen Bedingungen wie im Weltraum durchführen.

Belastungstest für Kohlefasermasten für Weltraum-Sonnensegel

Gemeinsam mit der NASA untersuchte das DLR Möglichkeiten aus einer Box, die so groß ist wie eine Mikrowelle, ein Sonnensegel, das so groß ist wie ein Basketballfeld, zu entfalten. Die x-förmige Rückenstruktur des Segels, bestehend aus hohlen, rollbaren Kohlefasermasten, entfaltet sich und spannt gleichzeitig auch die Membran. Unterstützt von den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern vom DLR hat die NASA für dieses Projekt einen 16 Meter langen, aufrollbaren Masten entworfen und gefertigt. Das DLR hat dazu den passenden Aufspul- und Entfaltungsmechanismus entwickelt. Da das Team die Masten für den Einsatz im Weltraum und damit in der Schwerelosigkeit konstruiert, müssen diese auch unter Weltraumbedingungen im Parabelflug getestet werden. Unter normaler Schwerkraft würde schon das Eigengewicht reichen, um die Masten bei einer Länge von vier Metern brechen zu lassen.

Von Ohrenkneifern und Libellen zum BionicWingSat

Ein weiterer „Passagier“ auf dem Parabelflug ist der BionicWingSat, ein entfaltbarer Weltraum-Flügel, der ebenfalls gemeinsam von DLR und NASA entwickelt wurde. Hier sind Insekten Vorbild, die beim Aufspannen von Flügeln keine einzelnen Elemente nutzen, sondern Systeme, in denen die einzelnen Elemente zu einem werden. Besonders die hocheffizienten faltbaren Flügel von Ohrenkneifern faszinierten die Forschenden. In puncto Stabilität nahmen sie die steifen und robusten Flügel der Libellen als Inspiration. Mit einem 3D-Druck-Fertigungsverfahren erzeugten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Weltraum-Flügelstruktur und untersuchten diese ebenfalls in der Schwerelosigkeit. Sie wollen testen, wie gut sich solche Flügel entfalten, wie flach sie gefaltet werden können und welche Kräfte auf Satelliten von ihnen ausgehen.

Bessere Verbindung zwischen Masten und Satelliten

Natürlich reichen Masten und Segel allein nicht aus, um eine entfaltbare Struktur für die Raumfahrt zu bauen. Aus diesem Grunde forscht und entwickelt das DLR immer wieder auch Entfaltungskontrollmechanismen. Diese müssen zum einen den starken Selbstentfaltungsdrang der Masten kanalisieren. Zum anderen müssen sie die Masten selbst stabil und sicher mit dem tragenden Satelliten verbinden. Über die vielen Entwicklungen fiel den Forschenden auf, dass die Stabilität an dem Punkt, an dem der Mast den Abrollmechanismus verlässt, seine Schwachstelle hat. Ausgerechnet diese Stelle ist aber am stärksten belastet. Das DLR hat hier zwei neue Konzepte entwickelt, bei denen der Mast auf ganz unterschiedliche Weise an der kritischen Stelle unterstützt wird.

Photovoltaik trifft Folie

Der Energiebedarf der Satelliten steigt stetig. Ein Großteil der Raumfahrzeuge nutzt heute als primäre Energiequelle Photovoltaik. Um als Alternative für die schwereren Ionenbatterien nutzbar zu sein, benötigen die Photovoltaikmodule immer größere Flächen, die besonders leicht und kompakt verstaubar sein müssen. Herkömmliche Module bestehen aus vielen, mit Photovoltaikzellen belegten Platten. Sie sind untereinander mit Gelenken verbunden und lassen sich für den Raumtransport aufeinander falten. Für sehr große Module kommt diese Bauweise jedoch schnell an ihre Grenzen. Die Idee der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler: Anstatt der dicken Platten wird eine dünne Folie als Trägermaterial der Photovoltaikzellen benutzt. Die Folie wird für den Raumtransport auf einen zylindrischen Kern aufgerollt und kann so platzsparend verstaut werden. Um die Folie im Orbit entfalten zu können, wird ein ebenfalls aufrollbarer Mast aus dünnem und flexiblem Kohlefaserverbundmaterial mit der Folie aufgewickelt. Der Mast verfügt über einen Entfaltungsmechanismus, der nicht nur die Entfaltung des Photovoltaikmoduls ermöglicht, sondern dieses auch wieder einfahren kann. Das ist neu. So können die Module für das Servicing, den Austausch oder für Manöver mit hohen Beschleunigungsbelastungen teilweise oder ganz eingeholt werden.

Festkörpergelenke zur Systementfaltung

Der Raum unter der Nutzlastverkleidung von Raketen ist knapp. Auch Solarflächen oder Antennen müssen vor dem Start platzsparend angelegt und fixiert werden. Nach dem Start und der Trennung von der Rakete werden die Fixierungen gelöst und die Systeme entfalten sich. Bisher werden oft Gelenke mit Scharnieren genutzt. Diese könnten durch gekrümmte, flexiblen Glasfaserbändern ersetzt werden. Die flexiblen Bänder haben den Vorteil, dass alle Funktionen in einem Element kombiniert werden: das Gelenk, der Federantrieb und das Einrasten in die Endposition. Dabei reiben keine Teile aufeinander. Mangelnde Gleitfähigkeit oder schlechte Passung sind kein Problem mehr. Das verschafft einen großen Vorteil im luftleeren Raum mit starken Temperaturschwankungen. Die Forschenden testeten das System unter Schwerelosigkeit, um Nebeneffekte auszumerzen und es noch besser zu verstehen.

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 jeweils 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.

Die aktuell 37. DLR-Parabelflugkampagne fand vom 14. bis zum 24. Juli 2021 ausgehend vom Flughafen in Paderborn satt. Insgesamt zehn Experimente aus den Bereichen Humanphysiologie, Biologie, Physik, Materialwissenschaften und Technologie wurden durchgeführt. Im Juni 2021 war zuvor bereits die 36. DLR-Parabelflugkampagne mit unter anderem auch einigen Technologietests für die ISS-Mission Cosmic Kiss vom Flughafen Paderborn aus gestartet.

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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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