Quelle: ZARM / News / Forschung für die Handhabung von flüssigem Wasserstoff im Weltraum, 24. März 2026

Wasserstoff und Sauerstoff sind eine der effizientesten Treibstoffkombinationen für moderne Raumfahrtantriebe. Um einen volumen- und massenoptimierten Tank eines Raumfahrzeugs zu realisieren, werden die kryogenen Treibstoffe heruntergekühlt bis sie einen flüssigen Aggregatzustand erreichen. In diesem Zustand besitzt die tiefkalte Flüssigkeit eine höhere Dichte als im gasförmigen Zustand und kann in kleineren, dünnwandigeren Tanks bei annähernd Umgebungsdruck gelagert werden. Die Handhabung der tiefkalten Flüssigkeiten unter reduzierter Schwerkraft stellt die Industrie und die wissenschaftliche Community jedoch vor große Herausforderungen: Bereits kleinste lokale Überhitzungen der Tankwand oder der Leitungen können Dampfblasen entstehen lassen. Der Entstehungsort sind sogenannte Keimstellen auf der mit Flüssigkeit benetzten Innenseite des Tanks.

Dieser Vorgang wird als Blasensieden bezeichnet und kann den thermodynamischen Zustand des Treibstoffs im Tank wesentlich beeinflussen: Die Entstehung und das Wachstum der Blasen führen dazu, dass eine Mischung aus Flüssigkeit und Gas vorliegt, die den Druck im Tank ansteigen lässt und den Dampfgehalt verändert. Es besteht außerdem das Risiko, dass das Ansaugen von Gasblasen, die sich in der Flüssigkeit befinden, den Betrieb des Motors beeinflusst.

Erkenntnisse aus dem Fallturm Bremen

Im Bremer Fallturm konnten die Forschenden die Entstehung und das Wachstum einzelner Wasserstoffdampfblasen gezielt hervorrufen und beobachten. Dabei wurde eine künstliche Keimstelle in Form einer winzigen Kavität im Material erhitzt. Da die Versuche unter reduzierter Schwerkraft erfolgten, ist die Dampfblase am Entstehungsort verblieben und wurde nicht auftriebsbedingt (wie unter Erdschwerkraft) wegbewegt.

Die aufgenommenen Experimentbilder und Messwerte ermöglichen eine Quantifizierung des Blasenwachstumsprozesses. Ein vom Heizer dissipierter Wärmestrom von nur 80 Milliwatt führte bereits zur Aktivierung der künstlichen Keimstelle. Innerhalb von 3,6 Sekunden ist daraufhin eine Dampfblase bis auf einen Durchmesser von etwa vier Millimetern angewachsen. In Verbindung mit den thermischen Randbedingungen liefern die Experimentergebnisse wichtige Daten, um numerische Modelle für das Siedeverhalten von flüssigem Wasserstoff im Weltraum weiter zu entwickeln.

„Unsere Experimentergebnisse tragen wesentlich dazu bei, die thermodynamischen Prozesse in kryogenen Treibstoffsystemen besser zu verstehen“, sagt André Pingel, Leiter der Arbeitsgruppe „Mehrphasenströmungen“.

Die Experimente wurden im Rahmen des bereits abgeschlossenen Vorhabens „Kavitation und Sieden von Methan und Wasserstoff“ (KASIMOFF 2) durchgeführt. Das Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) über das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR e.V.) unter dem Förderkennzeichen 50RL2290 gefördert.

Weitere Informationen

Link zur Publikation: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011227526000536?via%3Dihub

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• Fallturm Bremen (ZARM)

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Quelle: Universität Bremen Lucie-Patrizia Arndt 5. September 2024.

5. September 2024 – Verseux untersucht in seinem Projekt, wie Cyanobakterien genutzt werden können, um Langzeit-Marsmissionen nachhaltig zu gestalten, indem sie die Crew dauerhaft mit lebensnotwendigen Verbrauchsgütern versorgen. Denn selbst, wenn wir Menschen uns auf das absolut Notwendige beschränken, brauchen wir doch einiges zum Überleben – Sauerstoff und Nahrung zum Beispiel.

Halten wir uns an entlegenen Orten auf der Erde auf, dann bringen wir ausreichend Vorräte mit; im Weltraum werden die Astronaut:innen an Bord der Internationale Raumstation ISS regelmäßig mit Hilfe von Frachtkapseln versorgt. Doch wenn wir zum Mars wollen, sind weder große Vorräte noch ein kontinuierlicher Nachschub möglich. Der Transportweg ist zu riskant und die Kosten zu hoch. Die Lösung liegt somit darin, aus vor Ort vorhandenen Rohstoffen lebensnotwenige Verbrauchsgüter herzustellen.

Dr. Cyprien Verseux hat bereits nachgewiesen, dass manche Cyanobakterien in der Lage sind, aus den natürlichen Ressourcen des Mars Sauerstoff und Biomasse zu produzieren. Erste Forschungsergebnisse erzielte er im Laboratory of Applied Space Microbiology (LASM), welches er am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation der Universität Bremen leitet.

Die große Frage ist nun: Wie kann dies auf effiziente Art und Weise gelingen? Dazu ist ein besseres Verständnis davon notwendig, wie Cyanobakterien auf zellulärer und molekularer Ebene die Mars-Ressourcen verstoffwechseln. Unter anderem soll dies durch Laborexperimente mit einer eigens entwickelten Apparatur untersucht werden, in der wenig mehr als die Rohstoffe aus dem Marsboden und der Marsatmosphäre verwendet werden. Zusätzlich zur Laborarbeit sollen mathematische Modelle entwickelt werden, die die Wachstumsraten, Produktivität und Effizienz der Bakterienkulturen vorhersagen.

Das Starting Grant des European Research Council eröffnet Cyprien Verseux und seinem Forschungsteam neue Möglichkeiten – insbesondere durch die Einrichtung von zwei Promotionsstellen. „Mit unserem Projekt ,MarCyano‘ möchten wir zwei Ziele erreichen. Zum einen wollen wir grundlegende Erkenntnisse darüber erhalten, wie die Cyanobakterien auf Umgebungsbedingungen reagieren, die für sie ,fremd‘ sind, wenn sie beispielsweise einer Atmosphäre ausgesetzt sind, die auf der Erde nicht existiert. Zum anderen sollen Lösungen entwickelt werden, die dazu beitragen, die Erkundung des Mars durch den Menschen nachhaltig zu gestalten“, erklärt der Wissenschaftler.

Verseux und sein Team befassen sich jedoch nicht nur mit Nachhaltigkeitskonzepten bei Langzeit-Marsmissionen. Ihre Erkenntnisse und entwickelten Systeme werden sie auch in neue Denkansätze und Technologien übersetzen, die einem nachhaltigeren Umgang mit natürlich vorhandenen, aber zunehmend knapper werdenden Ressourcen auf der Erde dienen.

Verseux ist Mitglied der Initiative „Humans on Mars“ und am Antrag für das Exzellencluster „Die Marsperspektive: Ressourcenknappheit als Grundlage eines Paradigmas der Nachhaltigkeit“ der Universität Bremen beteiligt. Seine Expertise fließt in das interdisziplinäre wissenschaftliche Team ein, dessen Forschung nun dazu beitragen könnte, der Universität Bremen erneut den Exzellenzstatus zu sichern.

Über Cyprien Verseux:
Der französische Biologe Dr. Cyprien Verseux forscht seit 2019 am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation der Universität Bremen. Dort baute er das „Laboratory of Applied Space Microbiology“ (LASM) auf, dessen Leiter er heute ist. Zuvor promovierte er mit dem Schwerpunkt Astrobiologie an der Universität Rom II, Italien, und am NASA Ames Research Center in Kalifornien, USA.

Er selbst verfügt über eigene Erfahrungen mit Explorationsmissionen in abgelegenen Gebieten: 2018 leitete er die französisch-italienische Concordia-Forschungsstation in der Antarktis. Dort verbrachte er ein Jahr, einschließlich der Wintermonate, in denen die Temperaturen auf bis zu minus 80 °C sinken können und monatelange Dunkelheit herrscht. 2015 nahm er am Marssimulationsprojekt HI-SEAS der NASA teil und lebte zusammen mit fünf Wissenschaftler:innen für ein Jahr isoliert in einer „Marsstation“ an den kargen Hängen des Mauna Kea Vulkans auf Hawaii, USA.

Seine wissenschaftliche Leistung wurde 2019 bereits mit einem Forschungsstipendium der renommierten Alexander von Humboldt-Stiftung ausgezeichnet

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• Ehrungen

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Quelle: Universität Bremen 10. Juli 2024.

10. Juli 2024 – Deutschland investiert derzeit Milliardensummen, um den Ausstoß von Treibhausgasen durch Stahlwerke deutlich zu reduzieren. Dies soll vor allem durch die Umstellung auf den Wasserstoffbetrieb passieren. Aber wie misst man überhaupt die Menge an Treibhausgasen, die beim Produktionsprozess entstehen? „Bisher war man weitgehend auf Angaben und Berechnungen der Stahlhersteller angewiesen“, sagt Dr. Heinrich Bovensmann vom Institut für Umweltphysik (IUP) der Universität Bremen. „Nun haben wir ein Verfahren entwickelt, mit dem man diese Freisetzungen auch unabhängig messen und berechnen kann – mit Satellitendaten zur Zusammensetzung der Atmosphäre.“

Bei der Herstellung von Stahl entstehen große Mengen an Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Kohlenstoffmonoxid (CO). 2022 betrugen beispielsweise die deutschen CO₂-Emissionen der Roheisen- und Stahlerzeugung nach Angaben des Umweltbundesamtes rund 23,5 Millionen Tonnen. Dass diese Emissionen auch aus dem Weltraum feststellbar sind, wissen die IUP-Forschenden spätestens seit dem großen Moorbrand im Emsland im September und Oktober 2018: „Das war kein offenes Feuer, sondern eins, das im Boden schwelte“, so Heinrich Bovensmann. „Solch ein Brand erzeugt besonders viel Kohlenstoffmonoxid, was wir dann auch mit den hochgenauen Bildern des 2017 gestarteten Erdbeobachtungssatelliten Sentinel-5P sichtbar gemacht haben.“ Was aber auch zu sehen war, war eine Kohlenstoffmonoxid-Abgasfahne aus dem Ruhrgebiet – die des größten deutschen Stahlstandortes in Duisburg.

Dem Kohlenstoffmonoxid mit Satelliten auf der Spur
Postdoktorand Oliver Schneising aus dem IUP-Team interessierte sich fortan für diese Emissionen und untersuchte Satellitendaten auch im Hinblick auf weitere deutsche Stahlstandorte mit integrierten Hüttenwerken. Hier wies er die Kohlenstoffmonoxid-Freisetzungen in Duisburg, Dillingen,Salzgitter Bremen und Eisenhüttenstadt zweifelsfrei nach. „Die primäre Stahlerzeugung erfolgt weltweit überwiegend mit dem sogenannten Linz-Donawitz-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird Sauerstoff auf kohlenstoffreiches Roheisen aufgeblasen, um den Kohlenstoffgehalt mittels Oxidation zu minimieren und so hochwertigen kohlenstoffarmen Stahl zu erhalten“, erläutert der Bremer Wissenschaftler. „Das dabei freigesetzte Kohlenstoffmonoxid – CO – lässt sich mit der neuen Generation von Satellitensensoren vom Weltraum aus besser bestimmen als das Treibhausgas CO₂ selbst.“

Um aus den Erdfernerkundungsmessungen die CO-Emissionen zu bestimmen, sahen sich die Bremer Forschenden um Schneising die meteorologischen Verhältnisse – insbesondere den Wind – zu den Messzeitpunkten genau an. „Wir haben die CO-Emissionen der oben genannten Stahlstandorte bestimmt und zu den CO₂-Emissionen ins Verhältnis gesetzt, die von den Stahlherstellern für dieselbe Zeitperiode berichtet wurden“, sagt Schneising. „Diese Analyse ergibt standortübergreifend eine sehr hohe Korrelation von CO mit CO₂. Dies rechtfertigt es, aus den CO-Beobachtungen auch die CO₂-Emissionen zu bestimmen.“ Das von der IUP-Forschungsgruppe entwickelte Verfahren wurde inzwischen nach fachlicher Begutachtung in einer renommierten wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht.

Treibhausgas-Monitoringsystem für Deutschland in der Entwicklung
Die Arbeiten des Instituts für Umweltphysik zu diesem Thema finden im Rahmen einer umfangreichen Forschungsinitiative statt, die das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziert. Sie hat den Titel „Integriertes Treibhausgas-Monitoringsystem für Deutschland“ (ITMS) und wird vom Deutschen Wetterdienst sowie dem Max-Planck-Institut für Biogeochemie geleitet. „Das ITMS-Projekt zielt auf die Entwicklung und Umsetzung eines Systems ab, das atmosphärische Beobachtungen vom Boden, aus der Luft und aus dem Weltraum mit hochauflösende Emissionsinventaren und hochauflösenden atmosphärischen Modellen kombiniert und zur Überwachung und Dokumentation von Treibhausgas-Quellen und -Senken nutzt“, erläutert Dr. Heinrich Bovensmann vom IUP, welches die Bremer Beteiligung für das Institut koordiniert. „Die Universität Bremen ist dabei für einen großen Teil der Aktivitäten mitverantwortlich. Sie stimmt die Aktivitäten im Bereich der Beobachtungsdaten ab, wobei kontinuierlich erhobene Beobachtungen aus Messnetzwerken und von Satelliten eine wichtige Rolle spielen.“

Die Forschungsgruppe des Instituts für Umweltphysik hat ihre Ergebnisse mittlerweile im angesehenen Fachmagazin „Atmospheric Chemistry and Physics“ der European Geosciences Union publiziert: https://acp.copernicus.org/articles/24/7609/2024/
pdf: https://acp.copernicus.org/articles/24/7609/2024/acp-24-7609-2024.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: Universität Bremen 12 Januar 2023.

12. Januar 2023 – Das Institut für Umweltphysik (IUP) der Universität Bremen ist ein weltweit führendes Institut im Bereich der Auswertung und Interpretation globaler Satellitenmessungen der Treibhausgase Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Methan (CH₄) und weiterer atmosphärischer Spurengase, die für Klima und Luftqualität von großer Bedeutung sind. Das Institut leitet das Treibhausgas-Projekt GHG-CCI der Klimawandelinitiative der Europäischen Raumfahrtagentur ESA und liefert entsprechende Daten an den europäischen Copernicus Klimawandel-Service C3S und an den Copernicus Atmosphärenbeobachtungs-Service CAMS. Die neueste Copernicus Mitteilung zur Treibhausgasentwicklung (Link siehe unten) basiert wesentlich auf den vom IUP bereitgestellten Satelliten-Daten und deren Analyse.

„Der Methan-Anstieg bleibt in 2022 mit etwa 0,6% sehr hoch, liegt aber unterhalb der Rekordwerte der vergangenen beiden Jahre. Unsere Vermutung dafür ist, dass es einerseits mehr Emissionen gegeben hat, gleichzeitig aber die atmosphärische Methansenke abgenommen hat. Der CO₂-Anstieg ist mit etwas über 0,5% ähnlich hoch wie in den vergangenen Jahren“, fasst Umweltphysiker Dr. Michael Buchwitz erste Ergebnisse zusammen.

Treibhausgasmessungen seit 2002
Die Zeitserien der Treibhausgasmessungen aus dem Weltraum beginnen 2002 mit dem von der Universität Bremen vorgeschlagenen und wissenschaftlich betreutem SCIAMACHY-Instrument auf dem europäischen Umweltsatelliten ENVISAT. Diese Messungen werden derzeit unter anderem von japanischen (GOSAT und GOSAT-2) und amerikanischen (OCO-2) Satelliten fortgesetzt.

Die Satelliten messen das vertikal gemittelte Mischungsverhältnis von CO₂ und CH₄. Diese Messgrößen werden mit XCO2 und XCH4 bezeichnet und sie unterscheiden sich von den üblicherweise berichteten Messungen bodennaher Konzentrationen. Die Daten werde in den Einheiten „Teilchen pro Millionen“ (parts per million, ppm) für CO₂ und „Teilchen pro Milliarde“ (parts per billion, ppb) für CH₄ angegeben. Eine XCO2 Konzentration von 400 ppm bedeutet, dass die Atmosphäre 400 CO₂-Moleküle pro eine Millionen Luftmoleküle enthält. „Methan ist 2022 etwa um 11,8 ppb gestiegen, CO₂ um 2,1 ppm“, so Buchwitz.

Die anhängende Abbildung zeigt oben den Zeitverlauf der Konzentrationen beider Gase seit 2003. Wie man sieht, steigt CO₂ nahezu gleichförmig an – im Gegensatz zum Methan. In den Jahren 2000 bis 2006 war die Methankonzentration im Mittel stabil. Seit 2007 jedoch steigt Methan (wieder) an, und zwar mit besonders hohen Anstiegsraten in den vergangenen Jahren (Abbildung unten). Die Rekordwerte der Jahre 2020 und 2021 sind vermutlich mit einer COVID-19-induzierten Erhöhung der Methansenke verbunden, aber auch mit einem Anstieg der Methan-Emissionen (Details siehe „Copernicus Pressemitteilung“).

„Leider gibt es noch viele Wissenslücken bezüglich der diversen natürlichen und anthropogenen Quellen und Senken von Methan und anderen Treibhausgasen“, sagt Buchwitz. „Es ist daher nach wie vor erforderlich, das bestehende System zur globalen Beobachtung klimarelevanter Parameter optimal zu nutzen und weiter zu verbessern.“

Weitere Informationen:
Copernicus Pressemitteilung „2022 was a year of climate extremes, with record high temperatures and rising concentrations of greenhouse gases“:
https://climate.copernicus.eu/copernicus-2022-was-year-climate-extremes-record-high-temperatures-and-rising-concentrations

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• Klimawandel

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Quelle: ZARM.

Schülerinnen und Schüler aus der Oberstufe erhalten die einmalige Gelegenheit, ihre eigenen Experimente im großen Bremer Fallturm fliegen zu lassen! Das Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) bieten nun zum achten Mal das Drop Tower Project for School Students (DroPS) an. Um für DroPS ausgewählt zu werden, reicht euch eine gute Idee. Wenn ihr die Experten überzeugt, unterstützen sie euch zusammen mit dem DLR_School_Lab Team bei dem Bau eures Experimentes, damit es noch in diesem Schuljahr (Juni 2023) im Fallturm fliegen kann.

Lasst eurer Kreativität und eurem Forschergeist freien Lauf und entwickelt ein Experiment, das für 4,7 Sekunden unter Schwerelosigkeit betrieben werden kann.
Zeigt uns, was euch zu eurem Vorschlag geführt hat! Habt ihr ein Experiment auf der ISS gesehen und nun wollt ihr es nachbauen? Habt ihr eine eigene Idee für einen Versuch unter Schwerelosigkeit? Dann ist es Zeit, dies jetzt in die Tat umzusetzen! Ihr werdet während eines Zeitraums von sechs Monaten von Ingenieuren und Wissenschaftlern des ZARM und dem DLR_School_Lab fachlich begleitet und beraten. Der Aufbau des Experiments erfolgt überwiegend in eurer Schule, Schulwerkstatt, zu Hause etc.

Auf mehreren Review-Meetings wird dann der Fortschritt eures Aufbaus von unseren Experten begutachtet und praktische Hilfestellungen gegeben. Während der Aufbauphase finden mehrere Abwürfe im Space Tower des DLR_School_Lab statt, um euer Experiment fit für den Einsatz im großen Fallturm zu machen. Nebenbei könnt ihr schon wichtige Daten für die Experimentauswertung sammeln.

Damit eure Ideen in die Tat umgesetzt werden können, erklärt uns bitte genau, wie ihr das erdachte Experiment technisch umsetzen wollt. Beschreibt mit aussagekräftigen Skizzen euren Aufbau (evtl. mit Fotos von Vorversuchen). Erläutert bitte auch die wissenschaftlich-technischen Grundlagen. Denkt bitte daran, nur so können wir uns vorstellen, ob eure Apparatur technisch umsetzbar ist.

Schickt eure Bewerbung bitte bis zum 5. Dezember.2022 an:
drops[at]zarm.uni-bremen.de.

Ihr erhaltet am 16.12.22 Rückmeldung, ob euer Vorschlag erfolgreich war.
Übrigens – nach Absprache mit euren Lehrern ist es möglich, diese Arbeiten im Rahmen des fünften Prüfungselements anrechnen zu lassen! Darüber hinaus ist im Anschluss eine Weiterverwendung eures Experiments für Jugend forscht möglich.

Wir sind auf eure Vorschläge gespannt!

Kontakt und weitere Informationen:
ZARM
Dr.-Ing. Benny Rievers
Tel.: 0421 218-57930
E-Mail: benny.rievers[at]zarm.uni-bremen.de

DLR_School_Lab
Dr. Dirk Stiefs
Tel.: 0421-24420-1131
E-Mail: dirk.stiefs[at]dlr.de

Vorgaben und praktische Hinweise

Durchführung
Die Arbeiten werden überwiegend in der eigenen Schule/Schulwerkstatt/Hobbykeller etc. durchgeführt. Wir bieten euch zusätzlich die Möglichkeit im DLR_School_Lab zu arbeiten. Euer Team muss aus 3-5 Teammitgliedern bestehen. Die Kommunikation zwischen den Terminen erfolgt hauptsächlich per E-Mail.

Die Teilnahme an folgenden Terminen ist verpflichtend:

• 16. Januar: Kick-Off Meeting
• Januar – April: 4 Review Meetings (DLR_School_Lab)
• April – Mai: 3 Abwürfe im Space-Tower (DLR_School_Lab)
• Juni: Vorbereitungstag für den Abwurf (ZARM)
• Ende Juni: Finaler Abwurf (ZARM)
• Anfang Juli/Ende August: Abschlusspräsentation (Olbers Planetarium)

Ob die angegebenen Termine in Präsenz oder online durchgeführt werden, wird je nach Lage kurzfristig entschieden. Wir hoffen aber einen Großteil in Präsenz realisieren zu können. Für Präsenzveranstaltung gilt dann jeweils das aktuelle Hygienekonzept des DLR/ der Universität Bremen.

Anforderungen an das Experiment

• Max. Abmessungen: 20 cm lang, 20 cm breit und 30 cm hoch
• Eine Aluminium-Basisstruktur, in welche das Experiment eingebaut wird, stellen wir euch für die Dauer des Projektes bereit. Sie verfügt über Befestigungsmöglichkeiten.
• Es darf (aber muss nicht!) mit Strom betrieben werden.
• Ein elektrisches Interface wird bereitgestellt (Steuer-Computer & Akku mit jeweils 4 Schaltkanälen für Ein- und Ausgänge).

Einschränkungen

• Keine Verbrennungsexperimente/ kein Feuer, keine Gefahrenstoffe, keine Lebewesen!
• Flüssigkeiten/ Pulver/ Gase etc. dürfen nicht austreten!
• Kein Starkstrom!

Bewerbungsdokumente

Zwei Dokumente zusammengefasst in einer PDF-Datei mit einer maximalen Größe von 6 MB:

Aufbauskizze der Apparatur: Eine DIN A4 Seite (optional: plus Fotos von Vorversuchen)
Vorhabenbeschreibung: Max. zwei DIN A4 Seiten (Schriftgröße 11) mitfolgender Gliederung:

1. Motivation
2. Fragestellung/ Hypothese
3. Wissenschaftliche- und technische Grundlagen
4. Beschreibung des beabsichtigten Aufbaus
5. Erwartetes Ergebnis

Folgende Angaben müssen im Rahmen der Bewerbung gemacht werden:

• Name der Schule
• Name des betreuenden Lehrers (inkl. E-Mail Adresse)
• Namen der 3-5 Teammitglieder (inkl. E-Mail Adressen)
• Stufe (E, Q1 oder Q2)

Einsendeschluss für die Bewerbung ist der 5. Dezember 2022 !

Praktische Tipps

• Gute Zeit- & Gruppenorganisation: Es wird über einen Zeitraum von 6 Monaten gearbeitet
• Fangt die Planungen früh genug an! Beginnt am besten schon im Dezember mit den Arbeiten.

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• Fallturm Bremen (ZARM)

Der Beitrag ZARM: DroPS 8.0 – Schulteam Experimente starten in nächste Runde! erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Bremen Kai Uwe Bohn 5. Juli 2022.

5. Juli 2022 – Am 8. Juli 2022 startet die groß angelegte Initiative „Humans on Mars – Pathways toward a long-term sustainable exploration and settlement of Mars“ der Universität Bremen. Rund 60 Forscherinnen und Forscher aus acht Fachbereichen gehen gemeinsam der Frage nach, wie Konzepte für eine langfristige, nachhaltige Erkundung und Besiedelung des Mars durch den Menschen aussehen können.

Dabei geht es nicht um die technologische Machbarkeit – etwa die Konstruktion eines geeigneten Raumfahrzeugs für den langen Flug dorthin. Im Mittelpunkt stehen vielmehr der Mensch und die komplexen Herausforderungen, denen er sich vor Ort stellen muss. Zentral ist ebenso die Frage, welche Auswirkungen daraus resultieren – für die unberührte Umgebung des Mars und nicht zuletzt für unseren Umgang mit der Erde.

Der Stellenwert der Initiative:
„Die aktuellen Bestrebungen weltweit zielen unaufhaltbar darauf ab, Menschen in absehbarer Zukunft zum Mars zu fliegen. Wir wollen mit unserer Forschung Wege aufzeigen, wie eine dauerhafte Präsenz des Menschen auf dem Mars einen langfristigen Nutzen für die Menschheit erbringen und zugleich mit Umsicht und Rücksicht auf den roten Planeten erfolgen kann“, erklärt Professor Marc Avila, Sprecher der Initiative „Humans on Mars“ und Direktor des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen.

Die Bremer Initiative unterscheidet sich von den primären Zielsetzungen der Raumfahrtagenturen und Privatunternehmen, die ebenfalls an der Umsetzung von Marsmissionen arbeiten. Häufig liegt dort der Fokus allein auf der Technologie und dem Überleben der Astronautinnen und Astronauten auf dem Mars – was einen immensen Eingriff in die Umwelt des Planeten bedeutet. „Unerlässlich ist für uns daher der interdisziplinäre Forschungsansatz, den wir für ,Humans on Mars‘ verfolgen. Nur so können radikal neue Lösungen für die extremen Anforderungen an das Leben und Überleben auf dem Mars entwickelt werden“, erläutert Avila. „Ziel ist es, das derzeitige Paradigma der Produktivität durch eines der Nachhaltigkeit zu ersetzen“.

Die zentrale Forschungsfragen der Initiative:
Konkret werden sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit folgenden Fragen beschäftigen: Wie können menschliche Siedlungen unter den extremen, ja sogar lebensfeindlichen Umweltbedingungen auf dem Mars autonom werden und sich autark versorgen? Wie können neue Prozesse aussehen, die auf die extreme Energie- und Ressourcenknappheit auf dem Mars ausgerichtet sind? Kann womöglich die gefährliche Weltraumstrahlung zur Energiegewinnung genutzt werden? Wie gestaltet sich die Neubildung einer Mikrogesellschaft mit künstlich intelligenten Systemen und Maschinen in ihrer Mitte und wie entwickelt sich langfristig ihr Verhältnis zu den Menschen auf der Erde?

Besonderes Augenmerk gilt dem „Umweltschutz“: Welche Kompromisse sind möglich zwischen der Besiedlung und dem Eingreifen des Menschen auf der einen Seite und der Unversehrtheit der neuen Umgebung und Marsatmosphäre auf der anderen Seite? Und nicht zuletzt: Können wir die Erkenntnisse aus dem verantwortungsvolleren Umgang mit Ressourcen, die auf dem Mars noch knapper sind als auf der Erde, auch auf unseren Planeten übertragen – also vom Mars für die Erde lernen?

Über die Initiative:
Das Land Bremen fördert die Initiative. Der Anstoß und die Federführung zu „Humans on Mars“ kommt aus dem Wissenschaftsschwerpunkt MAPEX Center for Materials and Processes der Universität Bremen. Etwa 60 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus acht Fachbereichen der Universität Bremen sind daran beteiligt. Eng eingebunden sind außeruniversitäre Forschungsinstitute der U Bremen Research Alliance wie das DLR-Institut für Raumfahrtsysteme, das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, das Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien IWT und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI).

Zur Auftaktveranstaltung:
Zur Auftaktveranstaltung am 8. Juli 2022 im Haus der Wissenschaft in Bremen werden alle beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erwartet, die ihre jeweiligen Teilprojekte im Rahmen der Initiative „Humans on Mars“ vorstellen. Eröffnet wird die Veranstaltung unter anderem mit einem Grußwort von Dr. Claudia Schilling, Senatorin für Wissenschaft und Häfen der Freien Hansestadt Bremen, sowie Professor Bernd Scholz-Reiter, Rektor der Universität Bremen.

Weitere Informationen:
https://www.uni-bremen.de/humans-on-mars-initiative

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• Marsflug, Marsbasis

Der Beitrag Humans on Mars: Wege zu einer nachhaltigen Besiedlung erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ZARM 14. Juni 2022.

14. Juni 2022 – Die Anlage bietet, ähnlich wie der Fallturm Bremen, die Möglichkeit wissenschaftliche Experimente unter Schwerelosigkeitsbedingungen durchzuführen. Der etwas kleinere GraviTower mit einer Versuchsdauer von 2,5 Sekunden kommt ohne Vakuum aus und bietet dadurch eine weitaus höhere Wiederholungsrate. Statt maximal drei Experimenten im Fallturm können im GraviTower bis zu 960 Wiederholungen am Tag stattfinden. Nachdem die ersten wissenschaftlichen Versuche erfolgreich absolviert wurden, wurde die Anlage am 14. Juni 2022 in einer Hybridveranstaltung der Öffentlichkeit präsentiert.

Seit über 30 Jahren prägt der Fallturm die Wissenschaftslandschaft für Forschung in der Schwerelosigkeit. Am Raumfahrtstandort Bremen bietet er Forschenden aus aller Welt die Möglichkeit für 9,3 Sekunden Experimente in Schwerelosigkeit durchzuführen – eine Experimentdauer, die weltweit unerreicht ist und eine exzellente Alternative zu den Forschungsmöglichkeiten im Weltraum darstellt.

Das neue und schnellere Weltraumlabor
Mit dem neuen GraviTower Bremen Pro wird dem Fallturm nun ein zweites leistungsstarkes Weltraumlabor an die Seite gestellt, welches statt einer langen Experimentdauer eine sehr hohe Wiederholungsrate bietet. Mit bis zu 960 Mikrogravitations-Experimenten am Tag eröffnet er den Wissenschaftler:innen ganz neue Möglichkeiten und festigt Bremens internationale Vorrangstellung auf dem Gebiet der Forschung unter Weltraumbedingungen.

Für die Durchführung der Experimente nutzt der GraviTower ein Schienensystem, und kann so auf das Vakuum, welches beim Bremer Fallturm vor jedem Versuch gezogen werden muss, verzichten. Das Besondere daran: Mit Hilfe eines Seilantriebs wird ein Schlitten als Träger der Experimentkapsel auf exakt die Geschwindigkeit beschleunigt, die er theoretisch während eines Katapultfluges im Vakuum des Fallturms erreichen würde. Auf diese Weise wird der störende Luftwiderstand kompensiert.

Durch den Schlitten wird die Experimentkapsel von der Umgebungsluft abgeschirmt. Beim Erreichen der Schwerelosigkeitsphase ist sie von dem sie umgebenden Schlitten komplett entkoppelt und befindet sich für 2,5 Sekunden berührungslos im freien Fall. In dieser Zeit gibt es innerhalb des Schlittens keine Luftbewegung, die den freien Fall der Experimentkapsel bremsen würde, sodass wir eine ähnlich hohe Qualität der Schwerelosigkeit erreichen wie im Fallturm. Gegen Ende des freien Falls wird die Experimentkapsel schließlich wieder an den Schlitten gekoppelt und beide werden durch den Seilantrieb abgebremst.

Seit dem 9. März 2022 führen Forscherteams im GraviTower sehr erfolgreich ihre Versuche durch, die bisher aus den Fachgebieten Feuersicherheit, Gravitationsphysik und Biologie stammen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Wissenschaftler:innen sich bei der Nutzung der Mikrogravitationslabore des ZARM nicht zwischen einer langen Experimentdauer oder einer hohen Wiederholrate entscheiden müssen – das im Fallturm genutzte Experimentkapselsystem findet auch im GraviTower Anwendung, was die Kompatibilität der beiden Anlagen maximiert. Ein Experiment kann, ohne langen Umbau, vom Fallturm in den GraviTower übertragen werden.

Mit der Präsentation des Weltraumlabors am 14. Juni 2022 wurde der GraviTower zum ersten Mal feierlich der Öffentlichkeit präsentiert, auch wenn die Entwicklungsphase noch nicht final abgeschlossen ist. In naher Zukunft soll die Anlage durch eine künstliche Intelligenz, sowie reduzierte Gravitation, wie sie beispielsweise auf dem Mond oder Mars herrscht, erweitert werden.

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• Fallturm Bremen (ZARM)

Der Beitrag ZARM: Offizielle Präsentation des GraviTower Bremen Pro erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ZARM.

Auf der Erde können wir uns darauf verlassen, dass die Erdanziehungskraft alles im Griff hat: Leichteres Gas von einer schwereren Flüssigkeit zu trennen, gelingt durch den hydrostatischen Druck wie von allein und das ganz verlässlich. Das Gas treibt nach oben auf, die Flüssigkeit sammelt sich automatisch unten an. Ein Vorgang, den wir alltäglich in einem gefüllten Benzintank eines Autos beobachten können, wo der Treibstoff blasenfrei zum Motor geleitet wird.

Diese physikalische Gesetzmäßigkeit gerät ins Wanken, wenn wir in den Weltraum blicken. Die Umgebungsbedingung ist dort vor allem durch Schwerelosigkeit bestimmt. Ein oben und unten gibt es nicht mehr und der hydrostatische Druck bleibt wirkungslos. Dennoch ist es für Satelliten, Raumsonden oder bemannte Explorationsmissionen unerlässlich, eine Phasentrennung von Gas und Flüssigkeit an Bord von Weltraumfahrzeugen sicherzustellen: Treibwerke müssen gas- und blasenfrei mit Treibstoff versorgt werden, Lebenserhaltungssysteme müssen eine Gasphase von einer Flüssigkeitsphase trennen, Systeme zur Regulierung des Wärmehaushaltes müssen eine Dampfphase von einer Flüssigkeitsphase scheiden und selbst Anlagen, die eines Tages auf Mond oder Mars betrieben werden zur Herstellung oder Umwandlung von (Roh-)Stoffen, müssen so konzipiert sein, dass sie eine Phasentrennung gewährleisten.

Die ZARM-Wissenschaftler entwickelten eine Apparatur, die die Phasentrennung unter Weltraumbedingungen möglich macht und bisheriges Grundlagenwissen zur Handhabung von Flüssigkeiten im All erweitert. Die Testflüssigkeit wurde so ausgewählt, dass sie den Eigenschaften von Raketentreibstoffen, wie sie in der Raumfahrt Anwendung finden, ähnelt und zugleich für den Menschen völlig ungefährlich ist und bei einem Parabelflug verwendet werden darf.

Experimentaufbau und Erkenntnisse:
Der Testaufbau besteht aus einem rechteckigen, ca. fünf Millimeter breiten Kanal als Flüssigkeitsleitung, der entlang einer zehn Zentimeter langen Messstrecke an einer Seite offen zur Umgebungsluft ist. Abgedeckt ist die offene Messstrecke alleinig durch ein sehr feinmaschiges Metallsieb mit nur 14 tausendstel Millimeter großen Poren, das abstrahiert als poröses Medium beschrieben werden kann. Oben auf dem Sieb sitzt an einer Stelle ein zehn Zentimeter langes und fünf Millimeter breites Messröhrchen auf, das ebenfalls mit Flüssigkeit gefüllt ist. Im Versuch unter Schwerlosigkeit ist zu beobachten, wie die Flüssigkeit aus dem Messrohr durch das Metallsieb in den Strömungskanal gesogen wird, ohne dass über die gesamte offene Messtrecke hinweg Umgebungsluft als Bläschen mit in die Flüssigkeitsphase eindringt.

Hier wirken die Kapillarkraft mit dem Blasendurchbruchsdruck und den Eigenschaften des porösen Mediums zusammen: Die Kapillarkraft – die Eigenschaft von Flüssigkeiten, sich in Spalten und Röhrchen auszubreiten – sorgt zunächst dafür, dass die Flüssigkeit in die feinen Poren des gesamten Metallsiebs kriecht und es mit Flüssigkeit sättigt. Das Metallsieb fungiert dann wie eine Membran, die Flüssigkeit hindurchtreten lässt, aber gegen Gas sperrt. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass der Blasendurchbruchsdruck – auf Englisch Bubble Point – nicht überschritten wird, also jener Punkt, an dem die Umgebungsluft durch das Metallsieb in den Strömungskanal gesogen wird und sich Bläschen im Flüssigkeitsstrom bilden. Der Blasendurchbruchsdruck steht dabei in einer direkten Abhängigkeit zur Größe der Poren des Siebes – je kleiner die Poren, desto größer kann der Druck sein, bis Gas in den Flüssigkeitsstrom eindringt.

Die Parabelflugkampagne:
Die von ZARM-Wissenschaftlern entwickelte Apparatur wurde während der 33. Parabelflugkampagne des Raumfahrtmanagements des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) vom 12.-14. März 2019 erfolgreich getestet und bewies ihre volle Funktionsfähigkeit zur Flüssigkeits-Gastrennung. An drei aufeinanderfolgenden Flugtagen wurden mit dem Airbus 310 ZERO G vom französischen Bordeaux aus über dem Gebiet des Atlantiks mehr als 90 Einzelparabeln geflogen, die den Wissenschaftlern jeweils 22 Sekunden Schwerelosigkeit ermöglichten – eine Experimentumgebung, die nicht nur für die Testapparatur eine Herausforderung darstellte, sondern auch für die Wissenschaftler, die mit an Bord waren und den Versuch schwebend durchführen mussten.

Der menschliche Körper reagiert umgehend auf die Phasen reduzierter Gravitation (Schwerelosigkeit), wenn das Flugzeug in den freien Fall übergeht, und reagiert ebenso auf die Phasen erhöhter Gravitation, die am Beginn und am Ende der Parabeln auftreten. Umso wichtiger war es für die ZARM-Crew, sich auf die Parabelflüge gut vorzubereiten. Dazu gehörte, eine klare Aufgabenteilung im vierköpfigen Team festzulegen, die Handgriffe zur Steuerung des Experiments einzuüben, die Durchführung der zuvor festgelegten Testparameter zu überwachen und die technische Bereitschaft des Experimentaufbaus sowie die Datengewinnung sicherzustellen.

Relevanz der Ergebnisse:
Der Untersuchungsansatz der ZARM-Wissenschaftler ist der anwendungsbezogenen Grundlagenforschung gewidmet und dient dazu, eine gute Mess- und Beobachtbarkeit strömungsmechanischer Vorgänge zu erreichen. Der gewählte Versuchsaufbau ist daher nicht die Abbildung einer konkreten technischen Ausführung eines Bauteils für Weltraumfahrzeuge. Mit den Ergebnissen der „Untersuchungen zur Flüssigkeits-Gastrennung unter Anwendung poröser Medien bei kompensierter Gravitation“ wird jedoch eine quantitative Datenbasis geschaffen und bereitgestellt, die eine Übertragung der Erkenntnisse auf konkrete Anwendungen in der Weltraumexploration zulässt und somit eine Basis für innovative Konzepte von Flüssigkeitsleitungen bildet. Ergänzend zu den gewonnen Daten aus der Parabelflugkampagne liegt dem Forschungsteam eine Datenreihe aus Versuchen vor, die zuvor im Fallturm Bremen am ZARM durchgeführt wurden. Das Projekt wird vom DLR-Raumfahrtmanagement gefördert.

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Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: ESA.

Der neue Status wird dem Fallturm des ZARM zuerkannt, weil er in Europa einzigartig ist und von der ESA regelmäßig genutzt wird. Er bietet Kapazität für eingehende Forschung unter Mikrogravitation, d.h. angenäherter Schwerelosigkeit, und ist ein unerläßlicher Prüfstand für Weltraumprojekte, bevor sie realen Einsatzbedingungen unterzogen werden. In beiden Nutzungsarten hat das ZARM seit vielen Jahren für Tausende von Experimenten, von denen viele mit der ESA im Zusammenhang standen, wertvollen Zugang zu Bedingungen verminderter Schwerkraft gewährt.
Der dieses Jahr geplante Einbau eines Katapults wird die Zeit, in der Bedingungen verminderter Schwerkraft zur Verfügung stehen, verdoppeln und in der Zukunft damit erweiterte Möglichkeiten eröffnen. Eine ausgedehntere Nutzung dieser Einrichtung wird für die Internationale Raumstation in der Einsatzphase insbesondere für Anwendungen der Mikrogravitation von Vorteil sein.

Mehr zum bremer Fallturm ZARM finden Sie hier.

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