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), 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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Quelle: DLR.

3. Februar 2022 – Wie verhält sich frisch gegossener Beton in der Schwerelosigkeit? Und wie kann dies zum Umweltschutz auf der Erde beitragen? Der deutsche ESA-Astronaut Matthias Maurer hat Anfang Februar 2022 auf der Internationalen Raumstation ISS Antworten auf diese Fragen gesucht. Das Experiment „MASON / Concrete Hardening“ ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), der Universität zu Köln und der Universität Duisburg-Essen.

Der weltweite Kohlenstoffdioxid (CO₂)-Ausstoß beträgt rund 38 Gigatonnen (38.000.000.000 Tonnen). Davon entstehen allein drei Gigatonnen bei der Herstellung von Zement. Zement wiederum ist der wesentliche Bestandteil von Beton, dem derzeit wichtigsten Baumaterial. Gelingt es, die Verwendung von Beton durch moderne Verfahren zu optimieren, leistet dies einen Beitrag zur Verbesserung der Klimabilanz.

„Das Material Beton ist der Menschheit seit tausenden Jahren bekannt und hält doch immer noch Rätsel für uns bereit. Einen Teil dieser Fragen wollen wir mit Matthias Maurer auf der ISS klären“, sagt Prof. Matthias Sperl vom DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum.

Warum wird Beton auf der ISS erforscht?
Beton ist kein Werkstoff, den man mit der Raumfahrt in Verbindung bringt. Doch eröffnet die Raumfahrt an Bord der ISS durch die dauerhafte Schwerelosigkeit Einblicke in das Verhalten von Materialien, die in irdischen Laboren nur sehr begrenzt möglich sind.

Für die Festigkeit von Beton ist neben dem Mischverhältnis und Verstärkungen (Armierung) das Aushärten des Materials entscheidend. Der Prozess des Aushärtens entscheidet über die Anordnung der Bestandteile im Inneren des Betons sowie über die Verteilung von eingeschlossenen Luftblasen.

Die Aushärtung wird auf der Erde stark von der Gravitation beeinflusst. Für die Materialforschung ist es daher von großem Interesse zu untersuchen, wie sich diese Mischung aus versintertem Kalk und Ton plus Sand und Wasser ohne diesen Einfluss verhält. Dadurch lassen sich chemische und physikalische Prozesse besser verstehen. Diese Erkenntnisse können für optimierte Mischverhältnisse verwendet werden, die schließlich wertvolle Ressourcen einsparen.

Der Erstarrungs- und Trocknungsprozess des Betons kann Wochen und Monate dauern. Aus diesem Grund ist die Forschung auf der Internationalen Raumstation ISS so wichtig, denn nur hier herrschen dauerhaft die gleichen Bedingungen von Null-Gravitation (G).

Die bei den Experimenten von Matthias Maurer gewonnenen Daten liefern auch die Basis und Referenzwerte für weitere Untersuchungen in irdischen Laboren. Hier wird für kürzere Zeit eine künstliche Schwerelosigkeit in sogenannten „Klinostaten“ erzeugt.

„Wenn es uns gelingt, die Schwerelosigkeit zu simulieren, könnte zukünftig zusätzlich eine Vielzahl von Versuchen schneller, einfacher und kostengünstiger durchgeführt werden“, erklärt Prof. Martina Schnellenbach-Held vom Institut für Massivbau (IfM) der Universität Duisburg-Essen. Sie und ihr Team haben das Experiment möglich gemacht: Mit der Entwicklung eines speziellen Betonmischers, der die strengen Sicherheitsvorkehrungen für die ISS erfüllt. Dieser ist gerade einmal so groß wie eine Hand – der Beton wird manuell gemischt.

Wie baut man auf Mond und Mars?
„MASON“ (Materialforschung in Schwerelosigkeit an Beton) hat trotz der irdischen Anwendungen eine kosmische Komponente. Wenn die Menschheit ihre Pläne zum Aufbau einer permanenten Präsenz auf dem Mond oder dem Mars realisiert, müssen die Stationen aus solidem Material gebaut sein. Dies dient in erster Linie dem Schutz vor Kleinstmeteoriten und der kosmischen Strahlung.

Die für Bauprojekte auf der Erde angewandten Formeln zur Berechnung der Statik von Gebäuden gehen immer von der Erdanziehungskraft von 1 G aus. Auf dem Mond ist die Gravitation allerdings bei einem Sechstel G und es ist nicht gesichert, dass eine simple Umrechnung zu einem stabilen Bauwerk führen würde. Daher sind die im Rahmen von MASON gewonnen Daten im wahrsten Wortsinn ein wichtiger Baustein.

Auf Mond und Mars stehen wesentliche Bestandteile von Beton nicht zur Verfügung, daher untersucht Astronaut Maurer auch Proben, die aus künstlich hergestelltem Mondstaub bestehen.

Beteiligungen:
Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR fördert mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) die wissenschaftliche Arbeit an der Universität zu Köln und der Universität Duisburg Essen.

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• **ISS** Forschung & Forschungseinrichtungen

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