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.

Mittels Technologietransfers erschließt die Plasmaforschung auch neue Anwendungsfelder, basierend etwa auf den Entwicklungen der miniaturisierten raumfahrttauglichen Laborsysteme. Bereits die erste ISS-Crew hatte Plasmaforschung auf ihrer Agenda und am 3. März 2001 fiel der Startschuss für die ersten Langzeitversuche unter Schwerelosigkeit. Die aktuelle Crew wird nun Ende März die neueste Experimentreihe durchführen, unter der Leitung des erfahrenen Forschungsteams am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen.

„Für die Forschung zu komplexen Plasmen bietet die Schwerelosigkeit die einzige Möglichkeit den gesamten, wissenschaftlich interessanten Parameterraum zu untersuchen. Sie ist prädestiniert für die ISS“, sagt Gruppenleiter Dr. Hubertus Thomas vom DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum.

Plasma ist ionisiertes Gas und wird vielfältig technisch genutzt, zum Beispiel in Leuchtstoffröhren oder Plasmafernsehern. Auf der Erde ist Plasma sehr selten; in ihrer natürlichen Form kommt es zum Beispiel als Blitz vor. Im Weltraum hingegen befindet sich 99 Prozent der sichtbaren Materie im Plasmazustand. Dazu zählen Sterne, darunter die Sonne, oder die Ionosphäre von Planeten. Wenn in dem elektrisch geladenen Gas zusätzlich Staubteilchen oder andere Mikropartikel enthalten sind, entstehen sogenannte „komplexe Plasmen“, die kristalline Strukturen bilden können.

Erfolgsfaktor Astronaut
Neben der ausgeklügelten Technologie und Hardware sind auch die „Ausführenden“ an Bord der ISS für das Gelingen der Versuchsreihe wesentlich. Der ESA-Astronaut Thomas Reiter hatte bisher als einziger Deutscher diese Rolle inne. Im Rahmen der Mission Astrolab bediente er im August und Oktober 2006 das Plasmakristall-Labor PK-3 Plus:

„PK-3 Plus war ein wirklich interaktives Experiment. Nach der Inbetriebnahme hatte ich bei vielen Versuchsserien direkte Funkverbindung zu den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am Boden. Die Schilderung meiner Beobachtungen erlaubten es ihnen Modifikationen der verschiedenen Versuchsparameter durchzugeben, die ich dann an dem Plasmakristall-Labor einstellte. Es war faszinierend – trotz der großen Entfernung zur Bodenstation war man Teil eines Forschungsteams. Die Zusammenarbeit war nicht nur hochinteressant, sie hat auch riesigen Spaß gemacht! PK 3 Plus war auch ein Beispiel dafür, dass Grundlagenforschung auch ganz unerwartete Anwendungen für den Alltag auf der Erde haben kann“, erinnert sich Thomas Reiter, der mit Astrolab als erster Europäer eine Langzeitmission auf der ISS absolvierte und heute als ESA-Koordinator internationale Agenturen und Berater des Generaldirektors tätig ist.

Als Experimentatoren sehen, denken und handeln die Astronauten mit. Für die Wissenschaftler am Boden können sie auf unterwartete Situationen reagieren oder auf neue Erkenntnisse eingehen. Ein besonderes glückliches Händchen bewies Kosmonaut Juri Baturin während der Experimentreihe im Mai 2001: In der Laborkammer ließ sich das Plasma nicht zünden. Der Kosmonaut setzte das Experiment jedoch fort und schüttelte Mikropartikel in das neutrale statt geladene Gas der Kammer. Zum Erstaunen der Wissenschaftler waren die Teilchen sowohl positiv als auch negativ geladen und formten durch die starke elektrische Anziehung in Sekundenbruchteilen ein großes Agglomerat von mehreren Millimeter Durchmesser und weitere „Klümpchen“. Anhand dieser Beobachtung könnte das bisherige Rätsel der Planetenentstehung gelöst werden, wie die erste Phase der Agglomeration von Teilchen mit einer Größe von Mikrometern vonstatten geht.

Hier zeigt sich auch die Nähe des Forschungsthemas zu natürlichen staubigen Plasmen, die in unserem Sonnensystem zum Beispiel in den Ringen des Saturns oder auf dem Mond vorkommen. „Der Staub ist eines der größten Probleme auf dem Mond! Gerade für die kommenden Mondmissionen sind die grundlegenden Erkenntnisse der Plasmaforschung auf der ISS wichtig, um die Eigenschaften von Mondstaub genauer zu verstehen und besser damit umgehen zu können“, erklärt Thomas. Der Staub im Sonnenplasma ist aufgeladen, kann dadurch sogar schweben und hat einen stark haftenden Effekt. Da Mondstaub scharfkantig ist, führt dies zu erhöhtem Verschleiß von Oberflächen und Instrumenten und stellt ein gesundheitliches Risiko für die Astronauten dar.

Lehrwissen der Physik erweitert
Mit über 100 wissenschaftlichen Veröffentlichungen zählen die Plasmakristall-Experimente zu den erfolgreichsten Forschungsprojekten auf der ISS. Mehrfach haben die Erkenntnisse daraus das Lehrwissen der Physik erweitert und revidiert. So konnte das Team rund um Dr. Hubertus Thomas auch nachweisen, dass ein komplexes Plasma ein neuer Zustand der weichen Materie ist. In der Schwerelosigkeit breiten sich die geladenen Mikroteilchen frei im Raum aus und bilden geordnete dreidimensionale Kristallstrukturen, sogenannte „Plasmakristalle“. Deren Entdeckung im Jahr 1994 veränderte die Lehrmeinung in der Physik grundlegend, da Plasma bisher als ungeordnetster Zustand der Materie galt.

Die Experimente an Bord der ISS machen physikalische Prozesse auf atomarer Ebene sichtbar. Wie in Zeitlupe lassen sich die Bewegung von einzelnen „Atomen“ und ihre Wechselwirkungen nachverfolgen. In den letzten 20 Jahren gewannen die Wissenschaftler dadurch einzigartige Einblicke in die Bildung von großen Kristallstrukturen und langen Ketten, die Ausbreitung von Wellen, zu Scherströmungen und zu den Fließeigenschaften von komplexen Plasmen. Mit den Untersuchungen an dem Modellsystem tragen die Plasmaforscher dazu bei, die dynamischen Prozesse und Phänomene besser zu verstehen und das Grundlagenwissen in der Physik zu erweitern. Die Faszination für das Weltall schwingt dabei immer mit:

„Manchmal sieht man den Überflug der ISS am Himmel und wenn ich mir vorstelle, dass da unser Labor ist und ein Kosmonaut dort gerade ein Plasmakristall-Experiment durchführt, dann finde ich das faszinierend. Wir haben nicht nur unser Labor im Keller, sondern auch auf dem extremsten Außenposten der Menschheit – das ist auch nach 20 Jahren immer noch etwas ganz Besonderes“, so Thomas. Vom 22. bis 29. März 2021 finden die nächsten Plasmakristall-Experimente wieder in rund 400 Kilometer Höhe statt.

Internationale Zusammenarbeit im Weltall
Das erste Plasmakristall-Labor „PKE-Nefedov“ war von 2001 bis 2005 im Einsatz, gefolgt von „PK-3 Plus“ für weitere sieben Jahre. Seit 2014 ist das Labor „PK-4“ in Betrieb und ist wie die vorangegangenen Projekte eine deutsch/europäisch-russische Erfolgsgeschichte. PK-4 ist eine Kooperation der europäischen Weltraumorganisation ESA und der russischen Raumfahrtbehörde ROSKOSMOS, mit 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). Vom CADMOS-Kontrollzentrum im französischen Toulouse aus und zuletzt vom Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum des DLR in Oberpfaffenhofen, erfolgt die Steuerung der Experimente. Die experimentelle Hardware ist eine Eigenentwicklung der Gruppe während ihrer Zeit am MPE und der OHB System AG (ehemals Kayser Threde). Zusätzliche Finanzierung des Projektes in Deutschland erfolgte durch die Max-Planck-Gesellschaft und die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR, welche die Plasmaforschung an Bord der ISS von Beginn an unterstützt hat.

PK-4 zeigt einmal mehr auf eindrucksvolle Weise, welches großes Potenzial die Forschung mit komplexen Plasmen auf der Internationalen Raumstation selbst nach zwei Jahrzehnten immer noch hat. Dies wird auch international so gesehen. Daher diskutiert die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR derzeit gemeinsam mit NASA, ESA, ROSKOSMOS und den weltweit führenden Wissenschaftlern die Möglichkeiten für ein Nachfolge-Experiment von PK-4 mit dem Namen „COMPACT“: „Mit dieser neuen Experimentanlage könnte die Erfolgsgeschichte der Forschung mit komplexen Plasmen fortgeschrieben und um ein weiteres spannendes Kapitel bereichert werden“, so der Ausblick von Dr. Thomas Driebe, Programmleiter für Physik und Materialforschung der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR.

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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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