Quelle: DLR 17. Januar 2024.

17. Januar 2024 – Am 17. Januar 2024 soll der schwedische Projekt-Astronaut der Europäischen Weltraumorganisation ESA, Marcus Wandt, an Bord einer Dragon-Kapsel des US-Raumfahrtkonzerns SpaceX vom Raumfahrtbahnhof Cape Canaveral in Florida zu seiner Mission „Muninn“ (deutsch: Rabe) aufbrechen. Es ist das erste Mal, dass ein ESA-Astronaut auf einer kommerziellen Mission des US-Startdienstleisters Axiom gebucht wurde. Während seines 14-tägigen Aufenthaltes soll er 20 Experimente absolvieren und zudem Experimenthardware an Bord der Internationalen Raumstation ISS warten.

Zehn solcher Aktivitäten betreffen auch Experimente mit deutscher Beteiligung. Die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) koordiniert die wissenschaftliche Beteiligung der deutschen Experimente, an denen neben dem DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, dem DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum und dem DLR-Institut für Robotik und Mechatronik auch noch die Ludwig-Maximilian-Universität in München, die Berliner Charité sowie die Universitäten Gießen, Greifswald und Kiel sowie ACCESS Aachen beteiligt sind.

Die ersten wissenschaftlichen Messungen unmittelbar nach der Landung wird Marcus Wandt – wie alle ESA-Astronauten seit Alexander Gerst im Jahr 2014 – im :envihab des DLR in Köln durchführen. Das :envihab, die moderne Forschungsanlage des DLR-Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin, befindet sich unmittelbar neben dem Europäischen Astronautenzentrum EAC. Neben wissenschaftlichen Experimenten finden dort auch Wandts medizinische Untersuchungen statt.

CIMON: Wissenschaftspremiere im All
Sprachassistenten unterstützen die Menschen bei ihrer täglichen Arbeit. Ein solches digitales Assistenzsystem hilft auch Marcus Wandt auf der ISS. Als „Crewmitglied“ ist CIMON (Crew Interactive MObile companioN) ein fliegender und smarter Astronautenassistent. Ausgestattet mit Künstlicher Intelligenz (KI), soll er die Astronautinnen und Astronauten im „klassischen“ Sinne der Mensch-Maschine-Interaktion bei ihrer täglichen Arbeit unterstützen und noch effizienteres Arbeiten auf der Raumstation ermöglichen. Nach der erfolgreichen Technologiedemonstration mit Alexander Gerst, Luca Parmitano und Matthias Maurer soll CIMON mit Marcus Wandt zum ersten Mal wissenschaftlich in Betrieb gehen. Mit dieser Forschung auf der ISS soll er auf der Erde Innovationen für Anwendungen im Bereich der robotischen Industrieproduktion, der Bildung sowie der Medizin und Pflege vorantreiben. CIMON wurde als Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR an Airbus vergeben und für den Einsatz im europäischen Columbus-Modul auf der ISS entwickelt. Als sprachgesteuerte Künstliche Intelligenz dient die Watson KI-Technologie aus der IBM Cloud. Die menschlichen Aspekte des Assistenzsystems wurden von Wissenschaftlern des Klinikums der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) mitentwickelt und betreut.

Marcus Wandt wird außerdem die Telerobotik-Experimentreihe „Surface Avatar“ unterstützen und von Bord der ISS aus mehrere Roboter auf der Erde kommandieren. Entwickelt werden Technologien zur Mensch-Roboter-Kollaboration, die wesentlich für Erkundungsmissionen zum Mond oder zum Mars sind. Das Projekt wird vom DLR-Institut für Robotik und Mechatronik geleitet und erfolgt in Zusammenarbeit mit der ESA.

Bone Health: Knochengesundheit im Weltraum
Knochenschwund an den unteren Extremitäten ist eine bekannte Folge des Lebens im Weltraum. Er beginnt sehr bald nach dem Verlassen der Erde. Astronautinnen und Astronauten verlieren pro Monat im Weltraum bis zu einem Prozent ihrer Knochenmasse. Dieser Verlust kann das Risiko von Knochenbrüchen und Verletzungen erhöhen. Unter Beteiligung des DLR-Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin wird im Rahmen eines Experiments zur Knochengesundheit („Bone Health“) untersucht, wie sich die Knochendichte von Marcus Wandt nach seinem zweiwöchigen Aufenthalt im Weltraum verändert. Wird der Knochenschwund nach der Mission anhalten oder sich fortsetzen? Wie lange dauert es, bis sich seine Knochen nach der Rückkehr zur Erde wieder vollständig erholt haben? Bone Health könnte diese Fragen beantworten, die generellen Mechanismen des Knochenschwunds aufdecken und damit Patienten auf der Erde helfen, die an Osteoporose und Wirbelsäulenverletzungen leiden. An dem „Bone Health“-Experiment ist auch das DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln beteiligt.

Cardio-Deconditioning: Wie geht es dem Herzkreislauf-System der Astronauten vor und nach dem Flug?
Mit dem ESA-Experiment „Cardio-Deconditioning“, das von einem internationalen Team aus Belgien, Deutschland und Italien geleitet wird, sollen die kardiovaskulären Veränderungen bei Astronauten mit Hilfe moderner kardialer Magnetresonanztomographie (MRT) festgestellt werden. Dabei werden vorhandene Daten aus Simulationen der Schwerelosigkeit mit Missionen in einer niedrigen Erdumlaufbahn und künftigen interplanetaren Missionen verglichen und so akute von chronischen Veränderungen unterschieden. Auf der Erde werden die Ergebnisse dieser Studie bei der Nachsorge von bettlägerigen Patienten sowie von Krebspatienten, die mit Strahlentherapie behandelt werden, hilfreich sein. Marcus Wandt ist der erste ESA-Astronaut, an dem dieses Experiment durchgeführt wird. Zum ersten Mal überhaupt weltweit findet bei der Messung mit Marcus Wandt ein Echtzeit-MRT bei einem Astronauten statt.

BRAIN-DTI: Wie passen sich Gehirne an Weltraumbedingungen an?
Aus der Sicht des Gehirns ist das Leben im Weltraum sehr anstrengend. Das Innenohr meldet dem Gehirn, dass der eigene Körper fällt, aber die Augen zeigen, dass sich nichts bewegt. Da sich die Flüssigkeit in den Kopf verlagert, interpretiert das Gehirn diesen zusätzlichen Druck normalerweise als Zeichen dafür, dass er auf dem Kopf steht – aber im Weltraum gibt es kein Oben oder Unten. Die innere Uhr könnte signalisieren, dass sie nach einem Arbeitstag auf der Internationalen Raumstation müde ist, aber Astronauten erleben alle 24 Stunden 16 Sonnenauf- und -untergänge.

Trotz all dieser widersprüchlichen Signale passt sich das Gehirn an, und innerhalb weniger Tage schweben die Astronauten durch ihr Zuhause im Weltraum, als wären sie dort geboren. Aber das Gehirn scheint auch von der Vergangenheit zu profitieren. Erfahrene Astronauten brauchen weniger Zeit, um sich an die Schwerelosigkeit zu gewöhnen als Neulinge, selbst wenn die Missionen Jahre auseinander liegen. Forscher der Universitäten Antwerpen, Lüttich und Leuven in Belgien haben die „Brain-DTI“-Studie entwickelt, an der auch die Ludwig-Maximilians-Universität München beteiligt ist. Sie wollen mehr darüber erfahren, wie sich die Gehirne von Astronauten an die Bedingungen des Weltraums anpassen.

PK-4: Plasmen in Schwerelosigkeit erforschen
Mit dem Plasmakristallexperiment PK-4 lassen sich Prozesse, die eigentlich auf atomarer Ebene ablaufen, für das menschliche Auge sichtbar machen. Plasma ist ein ionisiertes – also ein elektrisch leitendes – Gas. Wenn es zusätzlich Staubteilchen oder andere Mikropartikel enthält, werden diese aufgeladen und es entsteht ein „komplexes Plasma“. In der Schwerelosigkeit können sich die Teilchen frei ausbreiten und geordnete, dreidimensionale Kristallstrukturen bilden. Die Wissenschaftler gewinnen so grundlegende Erkenntnisse, die zu langfristigen Anwendungen in der Weltraumphysik, der Plasmaphysik und -technologie, der Fusionsforschung sowie bei technischen Flüssigkeiten führen sollen.

So werden Fortschritte in der Halbleiter- und Chiptechnologie, in der Entwicklung moderner Antriebe, Ventile und Stoßdämpfer sowie jüngst auch im medizinischen Bereich beim Abtöten multiresistenter Keime bei der Wundbehandlung und der Desinfektion möglich. Die Plasmaexperimente werden im Auftrag der Deutsche Raumfahrtagentur im DLR und der Europäischen Weltrauorganisation ESA durchgeführt. Wissenschaftlich beteiligt sind die Universitäten Gießen und Greifswald. Marcus Wandt wird während seiner Mission auf der ISS gemeinsam mit dem wissenschaftlichen Team auf dem Boden die 19. Experimentkampagne von PK-4 durchführen.

ANITA-2: Prima Klima oder dicke Luft auf der ISS?
In einer abgeschlossenen Umgebung wie im Inneren der Internationalen Raumstation, muss die Luftzusammensetzung überwacht werden, um die Gesundheit der „Bewohner“ sicherzustellen. Die Hauptbestandteile der Kabinenluft wie Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid werden bereits durch das Lebenserhaltungssystem der Raumstation überprüft. Das Analysing Interferometer for Ambient Air-2 (ANITA-2) kann jedoch bis zu 33 wichtige chemische Verunreinigungen nahezu in Echtzeit aufspüren. ANITA saugt im Betrieb alle sechs Minuten Umgebungsluft an und untersucht sie mit Hilfe von Infrarotsensoren. Denn jeder Stoff in der Luft kann einem bestimmten Lichtspektrum zugerechnet werden. Nach der Analyse, die nur wenige Minuten dauert, wird neue Luft angesaugt und überprüft. Auf diese Weise erhält man eine detaillierte Aussage darüber, wie sich die Luft in der Station zusammensetzt und wie sie sich über die Zeit verändert. ANITA-2 wurde bei der OHB System AG entwickelt und von dem deutschen ESA-Astronauten Matthias Maurer im Jahr 2021 in Betrieb genommen.

Wartungsarbeiten an Experimenten mit deutscher Beteiligung
Marcus Wandt wird während seiner Mission auch Wartungsarbeiten an Experimenten mit deutscher Beteiligung durchführen. So wird er unter anderem für das Experiment DOSIS 3D MINI die sogenannte DOSIS Main Box neu installieren. Das Experiment soll unser Verständnis der Strahlungsumgebung an Bord der ISS erweitern. Bereits seit 2012 führt das DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin gemeinsam mit internationalen Partnern das Experiment im europäischen Columbus-Modul der ISS durch. Dabei wird dort die Verteilung der Strahlenbelastung mit passiven und aktiven Strahlungsdetektoren bestimmt und eine 3D-Dosiskarte der gesamten ISS erstellt.

Zudem wird Marcus Wandt vorbereitende Kalibrierungen in der Material Science Laboratory (MSL) Anlage vornehmen, damit nach seiner Mission dort weitere Experimentläufe stattfinden können. MSL ist ein Ofen, in dem Erstarrungsversuche mit metallischen Legierungen in Schwerelosigkeit zum technologischen Fortschritt in industriellen Gießprozessen von maßgeschneiderten, nachhaltigen Hightech-Materialien auf der Erde – beispielsweise von neuartigen und leichteren Flugzeugturbinenschaufeln und Batteriegehäusen – beitragen sollen. Dafür werden in unterschiedlichen ISS-Schmelzöfen im Material Science Laboratory (MSL) Proben aufgeschmolzen und wieder erstarrt. Denn unter Schwerelosigkeit gelingt das wegen verminderter Strömungen präziser als im Labor auf der Erde. An diesen Versuchen sind unter anderem das DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum, ACCESS Aachen e.V. sowie die Universität Kiel beteiligt. Für seinen Einsatz wurde Markus Wandt vorab an der Bodenanlage MSL EM (Engineering Model) im Institut für Materialphysik im Weltraum durch das MSL Operations Team des DLR- MUSC trainiert.

Gute Zusammenarbeit zwischen Deutschland und Schweden in der Raumfahrt
Deutschland und Schweden arbeiten in der Raumfahrt eng zusammen. Ein Beispiel ist hier die Deutsch-Schwedische Kooperation in den Studierendenprogrammen REXUS/BEXUS (Raketen-/Ballon-Experimente für Universitäts-Studenten), und TEXUS (Technologische Experimente unter Schwerelosigkeit), die von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR gefördert und geleitet werden, sowie das DLR-MAPHEUS-Forschungsraketenprogramm mit material- und lebenswissenschaftlichen Experimenten. MAPHEUS (Materialphysikalische Experimente Unter Schwerelosigkeit) wird vom DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum, dem DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin und der MORABA der DLR-Einrichtung Raumflug und Astronautentraining betrieben und dient als Entwicklungs- und Technologietransfer-Plattform für Forschung unter Weltraumbedingungen. Die Studierenden aus Deutschland und Schweden starten ihre eigenen Experimente auf Höhenforschungsraketen und -ballonen vom Esrange Space Center des schwedischen Raumfahrtunternehmens SSC, das über die Startinfrastruktur im nordschwedischen Kiruna verfügt. Die nächsten TEXUS-Starts sollen Ende Januar 2024 stattfinden, direkt im Anschluss daran der Start von MAPHEUS-14 im Februar 2024.

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• Axiom-3 auf Crew-Dragon zur ISS

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Quelle: OHB SE.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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Quelle: DLR.

Normalerweise wären die Forschenden jetzt in Toulouse, da sie nur von dort aus ihr Plasmakristall-Labor PK-4 steuern können, das sich seit 2015 an Bord der Internationalen Raumstation ISS befindet. Die Corona-Pandemie machte die Reise von Oberpfaffenhofen zum CADMOS-Kontrollzentrum nach Frankreich jedoch unmöglich. Die monatelang vorbereiteten Experimente in der Schwerelosigkeit drohten auszufallen. Doch die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) erhielten „naheliegende“ Unterstützung: Die Standortkollegen vom Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum stellten ihre Ressourcen zur Verfügung und richteten ein „Homeoffice“ der besonderen Art ein. Nun hat die Forschungsgruppe vom DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum ihre einwöchige Versuchsreihe erfolgreich abgeschlossen – von Oberpfaffenhofen aus, unter Berücksichtigung sämtlicher COVID-19 Schutzmaßnahmen. Dank der speziell eingerichteten IT- und Kommunikationskanäle konnten sie die Messungen am Bildschirm mitverfolgen und den Ablauf abstimmen – als ob sie im Kontrollraum von Toulouse säßen. Die Experimente an Bord der ISS führte der russische Kosmonaut Anatoli Ivanishin unter Anleitung der Plasmaforscher durch.

„Das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum war ein Glücksfall für uns in Oberpfaffenhofen. Die Kolleginnen und Kollegen haben uns in dieser Ausnahmesituation wunderbar unterstützt und hier erstmals die wissenschaftliche Betreuung übernommen. Wir freuen uns sehr, dass wir per Video- und Tonübertragung durchgehend mit der Experimentsteuerung im Kontrollzentrum von Toulouse und mit Kosmonaut Anatoli Ivanishin auf der ISS verbunden waren“, sagt Dr. Mikhail Pustylnik, PK-4 Projektwissenschaftler in der DLR-Forschungsgruppe Komplexe Plasmen am DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum. Die erfolgreiche Zusammenarbeit ist auch ein Resultat der langjährigen Erfahrungen: Die Forschungsgruppe führte ihre mittlerweile zehnte Messkampagne in der Schwerelosigkeit durch und verbucht somit ein rundes Jubiläum. Mit dem Betrieb des europäischen Columbus-Moduls betreut das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum bereits die ESA-Experimente auf der ISS und kennt das PK 4-Labor.

Lehrbuchwissen der Zukunft
Plasma ist ionisiertes Gas aus dem rund 99 Prozent der sichtbaren Materie des Weltalls beschaffen ist. Sterne wie die Sonne bestehen aus Plasma. Wenn in dem leitfähigen Gas zusätzlich Staubteilchen oder andere Mikropartikel enthalten sind, werden diese hoch aufgeladen und es entsteht ein „komplexes Plasma“: In der Schwerelosigkeit können sich die Teilchen frei im Raum ausbreiten und bilden geordnete dreidimensionale Kristallstrukturen. Die Teilchen verhalten sich dabei ähnlich wie Atome in einem Festkörper oder einer Flüssigkeit. Die Aufzeichnungen des Plasmakristall-Labors PK-4 machen diese Vorgänge sichtbar. Mit jeder neuen Experimentreihe gewinnt die Plasmaforschung fundamentale Erkenntnisse für das Lehrbuchwissen der Zukunft. Daraus lassen sich vielfältige Anwendungen ableiten, unter anderem Plasmatechnologien für die Mikrochip-Produktion, den medizinischen Bereich oder für künftige Raumfahrtmissionen.

Die aktuellen Strömungsversuche mit PK-4 könnten zum Beispiel dabei helfen, die Ausbreitung von Schockwellen besser zu verstehen. ISS-Besatzungsmitglied und Experimentator Ivanishin heizte die Mikroteilchen mit kurzen elektrische Pulsen auf, um sichtbar zu machen, wie sich die kinetische Energie bei einer Schockwelle ausbreitet und welche Wechselwirkungen auf Teilchenebene stattfinden. Das Einsetzen und Abklingen von turbulenten Strömungen wurde in mehreren Versuchen ergänzend untersucht.

Mithilfe von Laserstrahlen erzeugte das Experimentteam außerdem Scherflüsse in der komplexen Plasma-Flüssigkeit. Die Messungen bauen auf den Ergebnissen der vergangenen Experimentreihe auf und geben Aufschluss über die Zähigkeit von Flüssigkeiten. Neben der Oberflächenspannung gehört diese Viskosität zu den wichtigsten Eigenschaften einer Flüssigkeit. Zusätzlich untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des DLR die dynamischen Strukturen von Plasmakristallen. Kosmonaut Ivanishin nutze dazu eine neue Experimentmöglichkeit, um Plasmakristalle zu zerstören. Er schaltete den Strom an der Plasmakammer aus, um die Gasentladung zu stoppen und schaltete den Strom dann sofort wieder an. In der tomographischen 3D-Aufzeichnung können die Forscher genau nachvollziehen, wie die Plasmakristalle dadurch schmelzen und re-kristallisieren, wenn die Ladung wieder aktiviert wird.

Über das Projekt
Das Plasmakristall-Labor PK-4 ist eine Kooperation der europäischen Weltraumorganisation ESA – European Space Agency und der russischen Raumfahrtbehörde ROSKOSMOS, unter wissenschaftlicher Führung der Gruppe Komplexe Plasmen des DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum (ehemals am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, MPE) und der russischen Akademie der Wissenschaften (Joint Institute for High Temperatures, JIHT). Die experimentelle Hardware ist eine Eigenentwicklung der DLR-Gruppe während ihrer Zeit am MPE und der OHB System AG (ehemals Kayser Threde). PK-4 wird durch ESA und ROSKOSMOS finanziert. Zusätzliche Finanzierung des Projektes in Deutschland erfolgte durch das Raumfahrtmanagement des DLR und der Max-Planck-Gesellschaft.

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Quelle: DLR

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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