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GeoFlow - Einblicke in die Materieströmungen im Inneren der Erde

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  • Die Erde passt in einen schuhkartongroßen Experimentcontainer

    Die Erde passt in einen schuhkartongroßen Experimentcontainer

    Die GeoFlow-Versuchsreihe erlaubt Einblicke in die Vorgänge im Inneren unseres Planeten.

  • Installation von GeoFlow

    Installation von GeoFlow

    Astronaut Greg Chamitoff installiert den GeoFlow-Experimentcontainer im Columbus-Modul der Raumstation.

  • Die schuhkartongroße "Mini"%2dErde GeoFlow

    Die schuhkartongroße "Mini"-Erde GeoFlow

  • Die Schichten der Erde

    Die Schichten der Erde

    Das Innere der Erde gleicht den Schichten einer Zwiebel. Die innerste Schicht bildet dabei den festen, sogenannten inneren Kern mit einem Radius von etwa 1.250 Kilometern. Er besteht hauptsächlich aus Eisen, Nickel und Silizium. Darüber befindet sich eine rund 2.200 Kilometer dicke Schicht aus flüssigem Eisen. Dieser äußere Kern, dessen bewegliche und elektrisch leitfähige Schicht die Quelle des Erdmagnetfeldes ist, wird vom Mantel abgelöst. Auf diesem liegt die nur circa 30 bis 60 Kilometer dicke Kruste. Wie der äußere Kern ist auch der hauptsächlich aus Silikaten und Oxiden bestehende Mantel flüssig, allerdings erheblich zähflüssiger als der Kern.

  • GeoFlow würde auf der Erde andere Ergebnisse liefern

    GeoFlow würde auf der Erde andere Ergebnisse liefern

    Das GeoFlow-Experiment würde auf der Erde völlig andere Ergebnisse als im Weltall zu Tage fördern: Im terrestrischen Labor tritt die Schwerkraft als annähernd homogene, senkrecht nach unten wirkende Kraft auf. Dieses axiale Kraftfeld hat unmittelbare Auswirkungen auf die Temperaturverteilung: Wärme steigt nach oben, während Kälte absinkt. Ganz im Norden des Globus würde demnach große Hitze herrschen, während die Temperatur nach Süden stark abnehmen würde. Auf der "echten" Erde herrscht Gravitation, die vom Erdmittelpunkt ausgeht und deren Stärke zur Kruste hin abnimmt. Dieses radiale Kraftfeld sorgt so für eine gleichmäßigere Verteilung der Temperatur im Mantel und im äußeren Kern.

Hintergrund und wissenschaftliche Ziele:

Das Innere unserer Erde gleicht den Schichten einer Zwiebel. Aber was genau passiert dort drinnen? Welche Strömungsmuster herrschen zum Beispiel im flüssigen Teil des Erdkerns und im ebenfalls flüssigen Erdmantel? Welchen Einfluss üben diese Strömungen auf die Temperaturverteilung aus? Bislang gelang es der theoretischen Physik nicht, abschließende Antworten auf diese Fragen zu finden. Allerdings gewann man mit Hilfe von zeitlich und räumlich hoch aufgelösten dreidimensionalen Modellsimulationen in den letzten Jahren eine genauere Vorstellung der Phänomene im Erdinneren. Die Strömungen können jedoch nicht direkt beobachtet und die Temperaturen nicht direkt gemessen werden.

Will man diese Strömungen im Erdlabor erforschen, stößt man allerdings auf ein Problem: die Schwerkraft. Sie tritt als annähernd homogene, senkrecht nach unten wirkende Kraft auf. Die realen Verhältnisse sind jedoch ganz anders und lassen sich nicht unter dem Einfluss irdischer Schwerkraft simulieren: Auf der "echten" Erde herrscht Gravitation, die vom Erdmittelpunkt ausgeht und deren Stärke zur Erdkruste hin abnimmt. Dieses radiale Kraftfeld sorgt so für eine charakteristische Verteilung der Temperatur im Erdmantel und im äußeren Kern. Um die Bedingungen, wie sie auf der Erde herrschen, mit Hilfe einer "Miniatur-Erde" zu untersuchen, muss dieses Modell unseren Heimatplaneten verlassen. Auf der ISS, wo sich Erdanziehung und Zentrifugalkraft die Waage halten, muss dieses radiale Kraftfeld innerhalb einer Apparatur künstlich erzeugt werden, um das Rätsel der Strömungs- und Temperaturverhältnisse im Erdinneren experimentell aufklären zu können.

Experimentbeschreibung:

Genau aus dieser Idee heraus entstand die schuhkartongroße Apparatur namens "Geophysical Flow Simulation" - kurz GeoFlow. Zwischen einer inneren, massiven Kugel und einer äußeren Hohlkugel befindet sich eine zähe dielektrische Ölschicht. Entsprechend den Temperaturverhältnissen im Erdinneren wird die innere Kugel geheizt und die äußere Hohlkugel gekühlt. Im Kugelspalt wird dann durch das Anlegen einer Hochspannung in Höhe von zehn Kilovolt ein unverzerrtes, zentralsymmetrisches Kraftfeld erzeugt, das die auf der Erde herrschende Schwerkraft simuliert. Eine Kamera oberhalb der "Mini-Erde" zeichnet die Strömungsmuster auf, die während eines Experimentdurchlaufs auftreten. Die Kamera deckt dabei rund ein Sechstel der Kugeloberfläche ab, so dass man die vollständige Halbkugel mit insgesamt sechs Aufnahmen erfassen kann. Bei diesen Interferogramm-Aufnahmen werden zwei Lichtstrahlen einer externen Lichtquelle ausgesandt, von denen einer direkt in die Kamera gelenkt wird und der andere die GeoFlow-Apparatur durchläuft, bevor beide in der Kamera überlagert werden. Die Streifenmuster (Interferogramme) vergleichen die Wissenschaftler mit Modellsimulationen und schließen so auf die Temperaturverteilung und die Strömungsverhältnisse innerhalb des Fluids.

Der Experimentablauf wird nach dem Download der Daten vom Columbus-Modul zur NASA durch das deutsche Columbus-Kontrollzentrum in Oberpfaffenhofen, das italienische Microgravity Advanced Research and Support Centre MARS in Neapel, das spanische User Support und Operations Centre E-USOC in Madrid sowie einer eigens für GeoFlow eingerichtete Bodenstation an der BTU Cottbus überwacht. Die Telemetriedaten erreichen die Bodenstation mit einem zeitlichen Abstand von circa 20 Sekunden nach Start der Downloadsequenz. Parallel dazu werden die gesammelten Videoaufzeichnungen im Abstand von einigen Tagen heruntergeladen und ausgewertet.

Status und Ausblick:

Das Experiment GeoFlow I, mit dem die konvektiven Strömungen im flüssigen Erdkern simuliert werden, wurde gemeinsam mit dem europäischen Columbus-Modul im Februar 2008 mit dem Space Shuttle Atlantis zur ISS gebracht und im Fluid Science Lab (FSL) von Columbus installiert. GeoFlow I lief von August 2008 bis Januar 2009 und lieferte in diesem Zeitraum eine Datenmenge von 15 Gigabyte. Im März 2009 wurde der Experimentcontainer mit dem Space Shuttle Discovery zur Erde zurückgebracht und dort umgebaut. Insbesondere wurde der Kugelspalt mit einem anderen Fluid befüllt, dessen Zähigkeit stark temperaturabhängig ist, um so im Rahmen des Nachfolgeexperiments GeoFlow II die Strömungen im flüssigen Erdmantel zu simulieren und so beispielsweise das physikalische Verständnis von Magma-Strömungen im Erdinneren zu verbessern.

Im Februar 2011 wurde GeoFlow II mit dem europäischen Raumtransporter ATV-2 "Johannes Kepler" zur ISS transportiert. Nach erfolgreicher Integration in das Fluid Science Lab (FSL) des Columbus-Moduls lief GeoFlow II erfolgreich von Mitte März 2011 bis Anfang Mai 2012, wobei mehr als 200 Gigabyte an wissenschaftlichen Daten gewonnen wurden. Parallel dazu wurden umfangreiche zwei- und dreidimensionale numerischen Simulationen durchgeführt, um die gewonnenen Experimentdaten mit den theoretischen Vorstellungen zu vergleichen. Die bisherigen Auswertungen zeigen dabei neben einigen überraschenden Ergebnissen für einen weiten Bereich des untersuchten Parameterraums gute Übereinstimmung zwischen dem Experiment und den theoretischen Vorstellungen über das Strömungsverhalten im Inneren der Erde.

Mitte 2012 genehmigte die ESA eine Nachfolgemission "GeoFlow IIb", die zunächst von Mitte Dezember 2012 bis Anfang Mai 2013 lief. Neben Langzeitmessungen sollten bestimmte Parameterbereiche untersucht werden, die von GeoFlow II gar nicht oder nur grob abgedeckt wurden. Bis zum vorläufigen Ende von GeoFlow IIb wurden dabei circa 30 Prozent der geplanten Experimentläufe abgeschlossen. Die Fortführung von GeoFlow IIb ist für das Frühjahr 2014 geplant.

Außerdem ist bereits ein Nachfolgeexperiment GeoFlow III im Gespräch, das neben einem radialen auch über einen Temperaturgradienten zwischen Pol und Äquator des Erdmodells verfügen soll. Damit könnte man nach den Vorgängen im Erdinneren nunmehr die komplexen Strömungen in der Erdatmosphäre untersuchen, um so zum Beispiel die klimatischen Bedingungen und Veränderungen auf der Erde besser verstehen zu können.

Start: GeoFlow I - 7. Februar 2008 / Space Shuttle Atlantis (STS-122)
GeoFlow II - 16. Februar 2011 / ATV-2 Johannes Keppler
ISS-Zeitraum von August 2008 bis voraussichtlich Frühjahr 2014
Unterbringung Fluid Science Lab (FSL) im Columbus-Modul
Experimentator Prof. Dr. Christoph Egbers
Einrichtung Brandenburgische Technische Universität Cottbus
Bereich Geophysik, Fluidphysik
Partner ESA, multinationale Team

 

Zuletzt geändert am:
03.07.2014 12:11:21 Uhr