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: DHBW 5. September 2024.

5. September 2024 – Das Forschungsprojekt unter Beteiligung der DHBW Lörrach und in Lörrach betreut von Studiengangsleiter Prof. Dr. Daniel Stehle, nennt sich „NeurO2flight“. NeurO2flight untersucht die Auswirkungen von Hypoxie – also der Minderversorgung des Gehirns mit Sauerstoff – und Schwerelosigkeit auf den zerebralen Blutfluss, die neurokognitive Leistung und die zugrunde liegenden neurophysiologischen Mechanismen. Bisherige Forschungsarbeiten bezogen sich entweder auf die Schwerelosigkeit oder auf einen hypoxischen Zustand, jedoch ist die Kombination der beiden Stressoren noch unbekannt. Das Team möchte herausfinden, ob Besatzungsmitglieder unter diesen Bedingungen eine optimale Leistung aufrechterhalten können, was für die nächste Generation von Raumfahrzeugen und Weltraumbesiedelungen von Bedeutung ist.

Die Maschinenbaustudenten der DHBW Lörrach sind im Team für die Auslegung und Konstruktion der Versuchsträger zuständig, die sie Anfang November in Parabelflügen einsetzen. In Bordeaux werden an drei Flugtagen jeweils 31 Parabeln mit einem Airbus A310 geflogen. Jede Parabel beinhaltet ca. 22 Sekunden Schwerelosigkeit, in denen die Untersuchungen stattfinden.

Wesentliche Meilensteine im Aufbau und bei Funktionstests der Versuchsträger wurden bereits erfolgreich abgeschlossen, so dass das Team für einen erfolgreichen Projektabschluss in Bordeaux bereit ist.

Wir werden zum Jahresende weiter über das Forschungsprojekt berichten.

Über das „ESA Academy Experiments Programme“
Das Programm der Akademie der Europäischen Raumfahrtbehörde (European Space Agency – ESA) bietet Hochschulen die Möglichkeit, Experimente zu entwerfen und zu entwickeln, die im Zusammenhang mit der Schwerkraft und dem Weltraum stehen. Dem Call for Paper der ESA Academy zu Beginn des Jahres folgten zahlreiche Bewerbungen von Universitäten aus ganz Europa. Die Teams, die in die engere Wahl kamen, wurden eingeladen, ihr Projekt vor einem Gremium von Experten der ESA und ihrer Programmpartner vorzustellen und sich den Fragen des Gremiums zu den wissenschaftlichen, technischen und Managementaspekten ihrer Vorschläge zu stellen. Ausgewählt wurden sieben Teams, die an diesem Zyklus des Experimentierprogramms teilnehmen – darunter auch das Team NeurO2flight mit Studenten der DHBW Lörrach.

Weiter Informationen zur ESA Academy und den Forschungsprojekten findet man unter https://www.esa.int/Education/ESA_Academy_Experiments_programme.

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• Bemannte Raumfahrt und Gesundheit

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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: Universität Duisburg-Essen (UDE) 24. Mai 2023.

24. Mai 2023 – Unser roter Nachbarplanet fasziniert die Menschheit seit langem, ist er doch der Erde am ähnlichsten und seine Oberfläche durch ein Teleskop gut sichtbar. Raumsonden und Lander haben schon einiges erforscht, aber die Details geben Rätsel auf: So rutschen in der warmen Saison regelmäßig riesige Hänge ab, immer an denselben Stellen. Was löst diese Staublawinen aus? Die Forschenden vermuten, dass ein thermischer Gasfluss innerhalb des Bodens die Ursache ist und wollen dies nun im Experiment herausfinden.

Eine Zentrifuge ist dabei das Herzstück: Sie wurde vom fünfköpfigen Team um Prof. Dr. Gerhard Wurm entwickelt und wird gerade in Bordeaux in ein speziell ausgerüstetes Flugzeug eingebaut. Dieses hebt zu insgesamt drei Flügen mit jeweils 30 Parabeln ab (23.-25.5.). „In der Schwerelosigkeit simuliert eine Vakuumkammer die echte Mars-Schwerkraft, die geringer ist als auf der Erde“, erklärt Dr. Jens Teiser, der seit 2004 bei Parabelflügen wissenschaftliche Experimente macht. „Mit dabei haben wir besonderen Sand, der dem auf dem Mars gleicht. Durch Kippen der Vakuumkammer wird die Hangneigung langsam erhöht, bis der Sand ins Rutschen kommt. Halogenlampen erhitzten ihn während des Fluges, um den thermischen Gasfluss zu erzeugen.“

Wie läuft ein Parabelflug ab?
Das Flugzeug geht auf rund 7.500 Meter und fliegt von dort mit vollem Schub – in einem 47-Grad-Winkel – in 20 Sekunden auf etwa 8.700 Meter. In dieser Höhe drosselt der Pilot die Triebwerke, und das Flugzeug fällt frei auf einer parabelförmigen Bahn nach unten. Die Schwerelosigkeit dauert etwa 22 Sekunden, bevor der Pilot abfängt und zur nächsten Parabel ansetzt.

„Die Schwerelosigkeit ist die angenehmste Phase. Davor und danach wirkt doppelte Schwerkraft, das heißt man wird mit dem zweifachen Körpergewicht auf den Flugzeugboden gepresst“, sagt Teiser. Der Physiker hat die 160 Kilogramm schwere Zentrifuge mit entwickelt. Sie kann für weitere Experimente eingesetzt werden – etwa, um die Schwerkraft des Mondes zu simulieren. Doch zunächst sind nach den Flügen, die meist über dem Atlantik stattfinden, tausende Gigabyte Daten auszuwerten. „Wir wollen wissen, was auf dem Mars anders ist als bei uns und dadurch Zusammenhänge besser verstehen“, so Teiser.

Das dreijährige Forschungsvorhaben SCARLETT läuft bis Ende 2023. Es wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert, Projektträger ist das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt.

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• Parabelflüge

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Quelle: BAM. 15. März 2023.

15. März 2023 – Bei pulverbasierten 3D-Druckverfahren wird ein Bauteil durch das Aufbringen von Schichten eines fließfähigen Pulvers aufgebaut. Die einzelnen Schichten werden dann mittels Laserstrahl verschmolzen und anschließend aus dem Pulverbett herausgetrennt. In früheren Kampagnen wurde die industriell bereits erfolgreiche Fertigungsmethode des Selektiven Laserschmelzens, das Laser-based Powder Bed Fusion (LPBF), in Schwerelosigkeit erprobt. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass ein Gasstrom durch das Pulver die für den Schichtauftrag notwendige Gravitation ersetzen kann. Erste metallische Bauteile wurden in der Schwerelosigkeit erfolgreich gefertigt.

„Die additive Fertigung wird zunehmend auch für die Luft- und Raumfahrtbranche wichtig“, erklärt Prof. Dr. Jens Günster, Projektleiter und Leiter des Fachbereiches Multimateriale Fertigungsprozesse an der BAM. „Durch die Optimierung von pulverbasierten 3D-Druckverfahren, wie sie die BAM bei der Parabelflugkampagne erprobt, können Bauteile in Zukunft vor Ort hergestellt und so Weltraummissionen effizienter und nachhaltiger werden.“

Im aktuellen Experiment liegt der Fokus auf der Optimierung des Pulverauftrags sowie der Qualitätskontrolle und Visualisierung der aufgetragenen Schichten. Dazu wird die im letzten Experiment erprobte und weiterentwickelte Depositionseinheit genutzt, in der das Pulver nicht aus einem einzelnen großen Behälter appliziert wird, sondern mittels einzelner Zellen, die in einer Wabenstruktur verbunden sind. Das Design reduziert das Verklumpen einzelner Pulverpartikel und unterstützt einen homogenen Schichtauftrag. Zusätzlich setzt das Team einen Linienscanner ein, um die einzeln aufgetragenen Pulverschichten während des Druckprozesses zu vermessen. So kann erstmals die Oberflächenqualität während der Herstellung ermittelt werden.

Ein weiterer Schwerpunkt des Experiments liegt auf der Untersuchung von Mondregolith-Simulant als Fertigungsmaterial für Ersatzteile. Die Nutzung von vorhandenen Materialien vor Ort, wie pulverisiertem Mondgestein, kann Raumfahrtmissionen noch flexibler gestalten. Anknüpfend an vorangegangene Versuche soll das Schmelzverhalten von Mondstaub im additiven Fertigungsprozess weiter untersucht werden. Insbesondere die Ausbildung eines Schmelzbades im Pulverbett für unterschiedliche Größen des Laserstrahls in Schwerelosigkeit sowie in normaler Erdgravitation und Hypergravity stehen dabei im Fokus.

Ein zweites Experiment, das von der xolo GmbH Berlin geleitet wird und an dem die BAM beteiligt ist, testet ein neues additives Fertigungsverfahren für Polymerwerkstoffe, das für Anwendungen in der regenerativen Medizin eingesetzt werden soll. Das BAM-Team will das Verfahren von xolo in Zusammenarbeit mit der Montanuniversität Leoben (Dr. Johanna Sänger und Prof. Dr. Raúl Bermejo) mit neuen Werkstoffen kombinieren und für Weltraummissionen optimieren.

Projekt Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit
https://www.dlr.de/de/ar/themen-missionen/weltraumforschung/forschung-unter-weltraumbedingungen/forschungsplattformen/parabelflug/parabelflug-40/additive-fertigung

Interview mit Jens Günster zur Forschung der BAM an additiven Verfahren für Weltraummissionen
https://www.bam.de/Content/DE/Interviews/material-interview-jens-guestner-pulverbasierte-additive-fertigung-unter-schwerelosigkeit.html

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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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: BAM.

2. März 2022 – Zusammen mit der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR (Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt) und der DHM Prüfsysteme hat die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in der 38. Parabelflugkampagne des DLR im Februar 2022 ein verbessertes Design für das Drucken in Schwerelosigkeit getestet und daraus neue Erkenntnisse abgeleitet.

„LSDzero – Pulverbasierte additive Fertigung unter reduzierten Schwerkraftbedingungen“ so heißt das Forschungsvorhaben, bei dem ein Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut wird. Voraussetzungen dafür sind ein fließfähiges Pulver sowie ein virtuelles 3D-Modell des gewünschten Bauteils. Nach dem Schichtauftrag wird beim Selektiven Laserschmelzen (LPBF) die Geometrie aus dem virtuellen 3D-Modell mittels Laser in die einzelne Schicht übertragen. Ein zentraler Aspekt ist dabei die Homogenität der Schichten: Bilden sich z. B. Poren im Bauteil, hat das unmittelbare Auswirkungen auf die Qualität und Stabilität. Eine zusätzliche Herausforderung für die Anwendung in der Raumfahrt sind die verschiedenen Gravitationsverhältnisse. In vergangenen Experimenten konnte das Forschungsteam nachweisen, dass ein Gasstrom, der durch das Pulver hindurchgeleitet wird, die Gravitation ersetzen kann.

Bei der Kampagne im Februar haben die Wissenschaftler*innen jetzt den Schichtauftragsmechanismus noch einmal optimiert: Die Depositionseinheit, mit der das Pulver zu einer homogenen Schicht aufgetragen wird, bestand bislang aus einem einzigen Pulverbehälter – was eine ungleichmäßige Verteilung des Pulvers im Behälter während der Schwerelosigkeit zur Folge hatte. Getestet wurde nun ein neues Pulverreservoir mit Wabenstruktur, die zudem mechanisch angeregt wurde. Durch dieses Design wird die Agglomeration des Pulvers auf die einzelnen Zellen beschränkt und die Pulverpartikel werden durch die Vibration homogen in den einzelnen Zellen verteilt. Die Auswertungen der aktuellen Experimente zeigen, dass das neue Design tatsächlich die Schichtqualität verbessert und damit insgesamt die Qualität der Bauteile erhöht.

Die detaillierten Ergebnisse der Entwicklung der Pulverdeposition werden im März auf der International Conference on Advanced Manufacturing for Air, Space and Land Transportation (ICAM22) vorgestellt. Die Konferenz, die von der europäischen Raumfahrtorganisation ESA und der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde NASA co-organisiert wird, bringt erstmalig internationale Kompetenzen im Bereich fortgeschrittene Produktionstechnologien (z.B. Material und Prozesse) und Raumfahrt zusammen.

Zur Bündelung von Kompetenzen im Bereich 3D-Druck für Luft- und Raumfahrtanwendungen unterstützt die BAM zudem die Bildung des Netzwerks Aero+Space des Vereins Mobility goes Additive (MGA). Schirmherrin der Working Group Aero+Space ist die Technische Universität Berlin. Die Working Group verbindet Industrie und Forschungsgruppen, um gegenseitige Anforderungen zu definieren und gemeinsame Projekte z.B. im Bereich Materialien, Prozesse oder auch Qualifizierung und Standards, durchzuführen.

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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Quelle: BIH.

15. Februar 2022 – Nicht nur für Brandopfer auf der Erde könnte dies eine wertvolle Alternative zur Eigenhauttransplantation sein: Auch Astronauten und Astronautinnen könnten so fernab von jeder Klinik individuell versorgt werden. Ob der Drucker in der Schwerelosigkeit funktioniert, testen die Forscher*innen auf einem Parabelflug.

Ob Brand- oder Schürfverletzungen: Bei einer Fläche von mehreren Quadratzentimetern sind die Selbstheilungskräfte des Körpers überfordert und es hilft oft nur noch eine Eigenhauttransplantation. Doch sowohl beim Entnehmen als auch beim Verpflanzen stellen sich Probleme, erklärt Professor Georg Duda, der Direktor des Julius Wolff Instituts für Biomechanik und Musculoskeletale Regeneration im BIH und Sprecher des BIH Centrums für Regenerative Therapien (BCRT). „Es treten hierbei leider oft Vernarbungen auf, die sowohl medizinisch als auch kosmetisch weder Arzt noch Patient zufriedenstellen. “Auf der Suche nach einer Alternative stießen die Wissenschaftler*innen um Duda auf die Firma Cellbricks: Das Unternehmen hat einen 3D-Drucker entwickelt, der individuelle Hautpatches verschiedener Größe und Form drucken kann.

Biologische Druckertinte
„Die Druckertinte ist in unserem Fall biologisch“, erklärt Bianca Lemke, Doktorandin bei Professor Duda. „Sie besteht aus einer besonderen Form von Gelatine mit Metacrylatenden, die bei UV-Belichtung aushärtet. Da hinein mischen wir Hautzellen, die idealerweise vom Empfänger selbst stammen. Und mit besonderem technischen Aufwand können wir sogar kleine Röhren hineindrucken, die wir anschließend mit Blutgefäßzellen besiedeln, so dass das Hautpatch sogar Blutgefäße enthält.“ Am Drucker einstellbar sind Form und Größe des erforderlichen Wundverschlusses, je nach Herausforderung dauert der Druck eine oder mehrere Stunden.

„Auf einem Symposium des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) kam die Frage auf, ob man 3D Bioprinting nicht auch für Astronauten nutzen könnte“, erzählt der Diplom-Ingenieur. „Denn der Weg zum Mars ist weit, und auch von der ISS kann man nicht kurzfristig zur Erde zurückkommen, wenn man sich eine größere Verletzung zugezogen hat. Und da wäre so eine individuelle Lösung durchaus praktisch.“ Doch nun stellt sich die Frage, ob so ein 3D-Drucker überhaupt in der Schwerelosigkeit funktioniert. Schwebt die flüssige Tinte nicht davon? Härtet die Gelatine wie geplant aus?

Test beim Parabelflug
Um diese Fragen zu klären, startet Bianca Lemke heute von Paderborn aus zu einem Parabelflug, auf dem der 3D-Drucker getestet werden soll. „Vor Abflug wird es verschiedene Sicherheitschecks geben. Da wir mit Flüssigkeiten drucken und sich diese während der Mikrogravitationsphasen im Flugzeug verteilen könnten, sind natürlich Maßnahmen zur Eindämmung nötig. Die Drucker befinden sich in einem Kasten, der verschiedenen mechanischen Tests und Belastungen standhalten muss. Dementsprechend wird auch das überprüft. Danach wird alles abgepolstert, damit sich keiner der Teilnehmer versehentlich beim Herumschweben im Flugzeug den Kopf stößt. Und dann geht das Ganze ins Flugzeug und wird dort montiert. Bei verschiedenen Funktionstests im Flugzeug wird sicher gestellt, dass auch hier alles funktioniert. Und dann starten wir!“

Während des insgesamt fünfstündigen Fluges werden 31 Parabeln geflogen, das heißt, die Maschine steigt auf einer parabelförmigen Kurve auf, fällt anschließend steil ab und steigt wieder auf. Während des oberen Teils der Parabel kommt es für etwa 20 Sekunden zur Schwerelosigkeit, beim Auf- und Abstieg herrscht kurzzeitig mehrfache Erdanziehungskraft. Um zu überprüfen, wie das Druckergebnis von der Erdanziehungskraft beeinflusst wird, integriert Bianca Lemke Microbeads in die Druckerflüssigkeit: „Diese Microbeads sind kleine fluoreszierende Kügelchen, ungefähr in der Größe von Zellen. Damit untersuchen wir das Sedimentationsverhalten von Zellen während des Fluges. Denn schon auf der Erde haben wir beobachtet, dass die Zellen absinken, wenn die Tinte länger steht. Wir befürchten, dass in den Hypergravitationsphasen alle absinken, aber wir hoffen, dass während der Schwerelosigkeit gar nichts mehr absinkt.“ Professor Georg Duda bleibt am Boden und ist schon gespannt auf die Ergebnisse: „Wir hoffen sehr, dass die Druckergebnisse stabil sind, zumindest während der Schwerelosigkeit. Denn dann könnten wir eines Tages den Astronauten tatsächlich eine personalisierte Wundversorgung anbieten. Auch wenn es bis dahin sicher noch ein weiter Weg ist.“

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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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: Goethe-Universität Frankfurt am Main.

Welchen Einfluss die Schwerkraft auf biochemische Vorgänge in Knorpelzellen ausübt, untersuchen Wissenschaftler der Goethe-Universität zusammen mit Kollegen der Hochschule Luzern im Rahmen einer Messkampagne der Europäischen Weltraumagentur ESA. Heute beginnen auf dem Flughafen Bordeaux-Mérignac in Frankreich die Vorbereitungen für eine Reihe von Parabelflügen in der kommenden Woche. Die Experimente vor Ort wird der Doktorand Andreas Hammer von der Goethe-Universität begleiten.

Knorpelzellen, sogenannte Chondrozyten, reagieren auf die Schwerkraft: Bei länger bettlägerigen Patienten kann es – ebenso wie bei Astronauten, die sich über Wochen und Monate im Weltraum aufhalten – zu Degenerationserscheinungen des Gelenkknorpels kommen.

Zusammen mit Wissenschaftlern der Hochschule Luzern führt der Molekularbiologe Andreas Hammer vom Zero-G-Lab der Goethe-Universität bei Parabelflügen in Frankreich Experimente durch, um das Verhalten von Chrondrozyten in der Schwerelosigkeit zu beobachten. Im Fokus stehen bestimmte Membrankanäle der Chondrozyten, die sich womöglich in Abhängigkeit von mechanischer Belastung öffnen und schließen, um das Signalmolekül Calcium in die Chondrozyten zu lassen.

Bei einem Parabelflug wechselt das Flugzeug nach einem Steilflug in einen freien Fall, währenddessen in seinem Inneren für rund 20 Sekunden Schwerelosigkeit herrscht. In dieser Zeit wird Andreas Hammer seine Experimente durchführen, die Messapparaturen dazu wurden von langer Hand von den Kooperationspartnern in Frankfurt und Luzern vorbereitet und konstruiert. Während der Schwerelosigkeit wird Andreas Hammer die Chondrozyten, die in kleinen Messkammern mit Nährflüssigkeit gezüchtet wurden, mit UV-Licht bestrahlen. Das UV-Licht führt dazu, dass ein künstlich in die Chondrozyten eingeführtes Protein seine Farbe ändert, und zwar in Abhängigkeit von der Calciumkonzentration im Inneren der Zelle. Insgesamt werden während der Kampagne Chondrozyten in mehr als 2.300 kleinen Messkammern unter verschiedenen Bedingungen untersucht. Die Forscher erhoffen sich hieraus nicht nur Erkenntnisse über Knorpeldegenerationen in der Schwerelosigkeit, sondern auch auf der Erde.

Pro Flug werden 31 Parabeln geflogen, was für den Gleichgewichtssinn und den Magen der Teilnehmerinnen und Teilnehmer eine große Herausforderung darstellt, zumal gleichzeitig noch Experimente durchgeführt werden sollen. Deswegen erhalten die Mitfliegenden vorab in der Regel ein Medikament gegen Übelkeit.

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• Parabelflüge

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Quelle: igus® GmbH.

Köln – Wenn Ausleger für Solarpaneele oder Satellitenantennen in einer Trägerrakete ins All transportiert werden, sind sie hohen Belastungen ausgesetzt. Um den aufwendigen Transport zu vereinfachen und die Fertigung der Elemente zu beschleunigen, arbeitet das Studententeam AIMIS-FYT an einem 3D-Druckverfahren. In Zukunft sollen sich so Strukturteile direkt im Weltraum herstellen lassen. Für experimentelle Tests in der Schwerelosigkeit bauten die Studenten einen 3D-Drucker. Dabei setzten sie in der Antriebstechnik – unterstützt durch igus® – auf die wartungsfreien und leichten drylin® SAW-Linearachsen.

Der derzeitige Prozess, um Geräte in den Weltraum zu transportieren, ist recht ineffizient und teuer. Denn die Strukturteile sind in erster Linie dafür ausgelegt, den hohen Belastungen während der Startphase eines Raumfahrzeugs standzuhalten. Für die spätere Betriebsdauer sind diese Strukturen jedoch überdimensioniert. Aufgrund der hohen Kosten und des begrenzten Platzes auf einer Trägerrakete sind alternative Lösungen gefragt. Das Münchener Studententeam AIMIS-FYT nahm sich der Problematik an und arbeitet im Rahmen ihres Studienganges der Luft- und Raumfahrtechnik an einem 3D-Druckverfahren für die kostengünstige Fertigung im Weltraum. Dazu setzen die Studenten auf photoreaktives Harz und UV-Licht, was das Harz erhärtet. Für experimentelle Tests des Verfahrens in der Schwerelosigkeit musste ein 3D-Drucker konstruiert und gebaut werden. Auf der Suche nach der passenden Antriebstechnik wandten sich die Ingenieure an den motion plastics Spezialisten igus und wurden mit den drylin SAW-Linearachsen fündig. Die Linearmodule kommen in den zwei z-Achsen sowie in der x-Achse des Druckers zum Einsatz und bilden damit die zentrale Antriebseinheit. Die Linearachsen überzeugen vor allem durch ihr geringes Gewicht, denn sie bestehen uns Aluminium und wartungsfreien Gleitelementen aus Hochleistungskunstoff. Zur Reduzierung des Spiels der schmiermittelfreien und schmutzunempfindlichen Polymer-Lineargleiter, griffen die angehenden Ingenieure auf einstellbare Lager zurück. Damit der Druckfaden auch rotiert werden kann, wurde eine kompakte robolink D-Drehachse mit Schneckengetriebe in den Drucker eingebaut.

Erfolgreiche Testreihe unter realen Bedingungen
Um den Drucker und das Verfahren zu testen, bewarb sich das Team für das FlyYourThesis!-Programm der Europäischen Weltraumagentur (ESA) und erhielt die Zusage. Im November und Dezember 2020 fanden die Parabelflüge statt. Erreicht das Flugzeug den Höhepunkt des Steigfluges und kippt in den Sinkflug ab, so kommt es zu einer Mikrogravitation, ganz ähnlich der Schwerelosigkeit im Weltraum. Ideale Bedingungen für einen Real-Test des Druckers. „Die Linearachsen liefen bei allen Experimenten stets ohne Probleme, sodass wir bei jeder Parabel einen kleinen Stab und auch kleine Fachwerkstrukturen drucken konnten“, freut sich Torben Schäfer vom Team AIMIS-FYT.

„young engineers support“ von igus fördert innovative Projekte
Projekte wie AMIS-FYT fördert igus im Rahmen des young engineers support (yes). Mit der Hochschulinitiative möchte igus Schüler, Studenten und Dozenten mit kostenlosen Mustern, Hochschulrabatten und Sponsoring sowie bei der Entwicklung innovativer Projekte unterstützen. Mehr Informationen über den Hochschulsupport erfahren Sie unter www.igus.de/yes.

Über IGUS:
Die igus GmbH entwickelt und produziert motion plastics. Diese schmierfreien Hochleistungskunststoffe verbessern die Technik und senken Kosten überall dort, wo sich etwas bewegt. Bei Energiezuführungen, hochflexiblen Kabeln, Gleit- und Linearlagern sowie der Gewindetechnik aus Tribopolymeren führt igus weltweit die Märkte an. Das Familienunternehmen mit Sitz in Köln ist in 35 Ländern vertreten und beschäftigt weltweit 4.150 Mitarbeiter. 2019 erwirtschaftete igus einen Umsatz von 764 Millionen Euro. Die Forschung in den größten Testlabors der Branche produziert laufend Innovationen und mehr Sicherheit für die Anwender. 234.000 Artikel sind ab Lager lieferbar und die Lebensdauer ist online berechenbar. In den letzten Jahren expandierte das Unternehmen auch durch interne Start-ups, zum Beispiel für Kugellager, Robotergetriebe, 3D-Druck, die Plattform RBTX für Lean Robotics und intelligente „smart plastics“ für die Industrie 4.0. Zu den wichtigsten Umweltinvestitionen zählen das „chainge“ Programm – das Recycling von gebrauchten e-ketten – und die Beteiligung an einer Firma, die aus Plastikmüll wieder Öl gewinnt. (Plastic2Oil).

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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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.“

Verwandte Meldungen bei Raumfahrer.net:

• Von Dübendorf aus in die Schwerelosigkeit fliegen (11. Juni 2020)
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• Parabelflüge

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Quelle: Universität Zürich.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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