Forschungsziele und Nutzung von Columbus



 Das Columbus-Labor während der Vorbereitung zur Mission STS-122
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Bei der wissenschaftlichen Forschung auf der ISS ist Deutschland eine der wichtigsten Nationen. Dies gilt besonders für den Bereich "Forschung unter Weltraumbedingungen" (Bio- und Materialwissenschaften), bei dem rund 40 Prozent der im europäischen Wettbewerb ausgewählten Projekte aus deutschen Forschungsinstituten stammen.

Rund 100 deutsche Projekte haben sich im internationalen Wettbewerb nach dem so genannten "Best Science"-Prinzip durchgesetzt und warten jetzt auf ihre Umsetzung. Im Rahmen der übergeordneten Ziele des Programms "Forschung unter Weltraumbedingungen" der DLR Raumfahrt-Agentur definieren diese Projekte die konkreten Forschungsziele für die nächsten Jahre.

Forschungsziele in den Biowissenschaften

Im Vergleich zu den in der frühen Nutzungsphase der ISS durchgeführten Experimente erweitern sich die Forschungsmöglichkeiten durch Columbus in den kommenden Jahren deutlich. Neben Experimenten zur Gravitationsbiologie arbeiten die Wissenschaftler vermehrt an Projekten zur Strahlen- und Astrobiologie. Hierfür bieten neue Geräte auf den externen Plattformen des Columbus-Labors ausgezeichnete Möglichkeiten. In der Raumfahrtmedizin wird der Fokus vor allem auf die Untersuchung des Abbaus von Muskeln und Knochen gerichtet sein. Diese Untersuchungen wie auch die Projekte zur Strahlen- und Astrobiologie liefern zudem wichtige Beiträge für die Vorbereitung von späteren Langzeitmissionen von Astronauten zum Mond oder anderen Zielen.

Gravitationsbiologie

Seit Beginn der Evolution spielt die Schwerkraft für alle Organismen eine entscheidende Rolle. Seit vielen Jahren gehen Forscher daher der Frage nach, wie Organismen die Schwerkraft wahrnehmen und verarbeiten, woher also beispielsweise Pflanzen wissen, wo oben oder unten ist, und warum Wurzeln und Sprossen in die richtige Richtung wachsen. Viele Geheimnisse konnten die Wissenschaftler der Natur schon entreißen: Sie entdeckten spezielle Partikel in Wurzeln und zeigten deren Verlagerung bei Änderung der Schwerkraft. Auch die Beteiligung des Zellskeletts und verschiedener Botenstoffen wurde nachgewiesen. Auf der Ebene von Genen und Proteinen konnten sie wichtige Veränderungen feststellen. Doch die genaue Abfolge der einzelnen Schritte, von der Wahrnehmung der Schwerkraft bis hin zur Antwort der Pflanze, ist noch nicht geklärt. Hier setzen Columbus-Experimente beispielsweise in der Anlage BIOLAB an, die dieser Frage mit modernen molekularbiologischen Methoden nachgehen.

Strahlen- und Astrobiologie

 Das Experiment MATROSHKA zur Messung der Strahlenbelastung innerhalb und außerhalb der ISS
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Die Stärke und Zusammensetzung der Strahlung im Weltraum schwankt sehr stark. Von daher sind auch in Zukunft weitere Messungen vorgesehen, um das Strahlenrisiko besser abschätzen zu können. Aufgrund seiner langjährigen Expertise auf diesem Gebiet wird das DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin diese Messungen auch in den kommenden Jahren innerhalb und außerhalb der ISS fortsetzen. Fast noch wichtiger als die dosimetrische Erfassung der Stärke und Zusammensetzung der Strahlung ist die Analyse ihrer biologischen Wirksamkeit. Die Phantompuppe "Matroshka", ein hoch entwickelter Simulator des menschlichen Oberkörpers mit all seinen Organen, hat hier schon gute Ergebnisse geliefert. Die Anlage misst derzeit das Strahlenfeld im Innern der ISS und wird im Laufe des Jahres 2008 erneut nach außen gebracht.

Für die Astrobiologen bricht ebenfalls ein neues Kapitel an: Mit Columbus wurde die Anlage Expose-EuTEF zur ISS gebracht. Neben Strahlen dosimetrischen Vergleichsmessungen werden in dieser Anlage verschiedene Organismen den extremen Umgebungsbedingungen des Weltraums ausgesetzt und ihre Überlebensfähigkeit untersucht. Diese Untersuchungen dienen der Erforschung von Entstehung, Evolution und Ausbreitung des Lebens und damit der Beantwortung der Frage, wie eventuell einst die Lebensporen auf die Erde kamen.

Humanphysiologie

In der Raumfahrtmedizin liegt der Schwerpunkt der deutschen ISS-Experimente in den kommenden Jahren auf der Untersuchung des Muskel- und Knochenstoffwechsels. Im Sinne einer integrativen Physiologie, in welcher der ganze Mensch im Zusammenspiel seiner verschiedenen Systeme und Organe betrachtet wird, berücksichtigen die Wissenschaftler die Wechselwirkungen des Systems von Knochen und Muskeln mit dem Kreislauf, Stoffwechsel, Immunsystem und der hormonellen Regulation. Ziel der Experimente ist es, die Mechanismen von Muskel- und Knochenabbau zu verstehen und dann geeignete Gegenmaßnahmen zu entwickeln, die nicht nur den Astronauten, sondern auch dem Menschen auf der Erde zugute kommen.

Ziele der physikalischen Forschung

Materialforschung

Etwa 90 Prozent der metallischen und halbleitenden Werkstoffe entstammen schmelzmetallurgischen Verfahren. Um die bestehenden Technologien zu optimieren oder neue zu entwickeln, brauchen die Forscher ein immer größeres Detailverständnis aller ablaufenden Vorgänge. Das Materialdesign aus der Schmelze erfordert heutzutage effiziente Computersimulationen, damit energie- und zeitaufwendige Vorversuche im großtechnischen Maßstab verringert werden können. In der Schwerelosigkeit werden Störkräfte in einer Schmelze ausgeschaltet, so etwa Auftrieb (Konvektion) und Ablagerung (Sedimentation) von Komponenten unterschiedlicher Dichte.

Das sind entscheidende Vorteile, um die Wechselbeziehung zwischen Erstarrungsbedingungen, Werkstoffgefüge und den daraus resultierenden Eigenschaften aufzuklären. Ein weiteres Ziel ist es, die wärmephysikalischen Eigenschaften reaktiver Metallschmelzen durch behälterfreies Prozessieren wesentlich genauer zu messen, also in der Schwebe. Die im ESA Materials Sciences Lab der ISS geplanten Forschungsarbeiten erfolgen insbesondere an industrierelevanten Schmelzen.

Fluidphysik

Die Physik der Flüssigkeiten und Gase durchdringt viele Anwendungsbereiche, in denen die Wirkung von Schwerkraft bedeutend ist. So sind auf der ISS Grundlagenuntersuchungen zu Flüssigkeitsströmungen in einer Geometrie geplant, die in Satellitentanks einer neuen Generation den Treibstofftransport durch Kapillarkräfte ermöglicht. Bei der Zündung eines Triebwerks muss zu jedem Zeitpunkt ausreichend Treibstoff an der Düse vorhanden sein. Folglich sind Experimente unter Schwerelosigkeit notwendig mit dem Ziel, die Grenzen der Strömung aufzuklären, bevor sie instabil wird. Auf der Erde verhindert der hydrostatische Flüssigkeitsdruck genaue Messungen.

Ein weiteres Projekt betrifft die Erforschung von Strömungsvorgängen in einem Kugelspalt. Dieses geophysikalische Modell simuliert Strömungsvorgänge im flüssigen äußeren Erdkern, indem die zentrale Kraftwirkung unseres Planeten durch ein künstliches Gravitationsfeld im Kugelspalt ersetzt wird. Wissenschaftler interessieren sich hierbei für die auftretenden Strömungsmuster. Nur unter Schwerelosigkeit kann man dabei die im irdischen Labor herrschende Vorzugsrichtung "oben unten" vermeiden. Diese Untersuchung ist als erstes Experiment im Fluid Sciences Lab von Columbus geplant.

Verbrennungsforschung

Am Beispiel der Verbrennung von Tropfen und Sprays wollen Forscher Zündmechanismen analysieren und dadurch Verfahren zur Hochdruckverbrennung flüssiger Treibstoffe verbessern. Ihr Ziel ist es, in Gasturbinen und Flugantrieben den Schadstoffausstoß bei hohem Wirkungsgrad durch möglichst magere Kraftstoffgemische zu senken. Die Schwerelosigkeit hilft, die Basismechanismen der Verbrennung ungestört zu erforschen. Bisher erfolgen entsprechende Experimente im Fallturm Bremen, allerdings werden sich mit der Inbetriebnahme des US Combustion Integrated Rack auf der ISS neue Experimentier- und Kooperationsmöglichkeiten ergeben.

Fundamentalphysik

Die Nobelpreise für Physik sind in den vergangenen Jahren wiederholt für Entdeckungen zu Quantenphänomenen vergeben worden. Im Fall der Bose-Einstein-Kondensation ist es gelungen, Gasatome soweit abzukühlen, dass diese ihre Individualität verlieren und als Materiewelle in Erscheinung treten. Im Labor konnte gezeigt werden, dass ein Laser mit solchen Materiewellen anstelle von Lichtwellen funktioniert. Im Fallturm Bremen wird gegenwärtig erstmalig versucht, ultrakalte Atome unter Schwerelosigkeit zu erzeugen, um die Gasatome noch weiter abzukühlen. Auf der ISS wollen Physiker längerfristig und systematisch an ultrakalten Atomen forschen, um noch tiefere Einblicke in die Quantenwelt zu bekommen.

Ein wichtiges Forschungsfeld auf der ISS stützt sich auf eine Entdeckung der Plasmakristalle durch Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik im Jahr 1994. Das bereits seit über sechs Jahren laufende Forschungsprogramm auf der ISS in Kooperation mit Russland soll aufgrund der hohen wissenschaftlichen Erkenntnisse bis ins nächste Jahrzehnt ausgedehnt werden. Die bisherigen Daten aus den Weltraumexperimenten führten zu grundlegend neuen Entdeckungen.

Mit Partikeln angereicherte Plasmen sind keineswegs ein exotischer Forschungsgegenstand, sondern treten häufig in der Natur (Saturnringe, Kometenschweif) und irdischer Plasmatechnologien (Chipherstellung, Solarzellenfertigung) auf. Ein weiterer Forschungsbereich zur Untersuchung fundamentaler Partikelwechselwirkungen wird sich apparativ auf der ISS zum Ende des Jahrzehnts erschließen. Hierbei wird das Ziel verfolgt, elementare Vorgänge bei der Planetenentstehung - die Zusammenballung von kosmischem Staub - sowie der atmosphärischen Wolkenbildung - das Wachstum von Aerosolen - zu simulieren.


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http://www.mpe.mpg.de
http://www.zarm.uni-bremen.de/index.htm
http://www.esa.int/esaHS/ESA2HT0VMOC_iss_0.html
Texte zu diesem Artikel
Neues vom Weltraumphantom: MATROSHKA-Experiment auf der ISS geht weiter (http://www.dlr.de/iss/desktopdefault.aspx/tabid-4548/125_read-2214/usetemplate-print/)
MATROSHKA: Auf den Spuren der kosmischen Strahlung (http://www.dlr.de/iss/desktopdefault.aspx/tabid-832/1332_read-2508/usetemplate-print/)