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: 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: Universität Duisburg-Essen (UDE), Dr. Alexandra Nießen 20. Juli 2022.

20. Juli 2022 – „Mich interessiert, wie das Klima von (frühen) Planeten-Atmosphären physikalisch entstehen konnte. Woraus bestanden sie chemisch? Und wie wechselwirken Jets mit ihrer Umgebung?“, skizziert Rolf Kuiper. Was haben Jets mit Planeten zu tun? „Nahezu gar nichts“, lacht der UDE-Professor. Sie bezeichnen in der Astronomie einen Gas-Strom und durchqueren das Universum über Lichtjahre.

An der UDE wird Rolf Kuiper unter anderem untersuchen, wie erdähnliche Gesteinsplaneten, Gasriesen und Schwarze Löcher entstanden sind. Dabei geht er bis in die frühen Zeiten unseres Universums zurück. „Wir modellieren physikalische Phänomene von der Wechselwirkung von Staubkörnern mit Winden und Strahlung bis hin zu an Masse zunehmenden astrophysikalischen Objekten. Darunter finden sich etwa Planeten, Sterne und Schwarze Löcher, die wir am Hochleistungsrechner modellieren“, so Kuiper. In der UDE-Physik kann er dazu mit dem Experimentellen Astrophysiker Prof. Dr. Gerhard Wurm und dem theoretischen Physiker und Heisenberg-Stipendiaten Dr. Eric Parteli kooperieren. Damit schärft er zugleich das UDE-Profil in diesem Bereich.

Rolf Kuiper studierte Physik von 2000 bis 2006 an der Universität Heidelberg. Dann forschte er bis 2010 am Max-Planck-Institut (MPI) für Astronomie, wo er 2009 promoviert wurde. Danach ging er in die USA ans Jet Propulsion Laboratory (Raketenantriebslabor) des California Institute of Technology (2011-2012); es baut und steuert für die NASA Raumsonden und Satelliten. Zurück in Deutschland arbeitete der Postdoktorand an den Universitäten Heidelberg (2012) und Tübingen (2013) sowie am MPI für Astronomie (2013/14). Von 2015 bis 2021 leitete er eine Emmy Noether Forschungsgruppe an der Uni Tübingen und von 2021-22 eine Heisenberg-Forschungsgruppe an der Uni Heidelberg.

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• Planetenentstehung

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