Erfolgreicher Erstflug der DLR-Forschungsrakete Mapheus

MAPHEUS-01 vor dem Start

Drei Minuten Schwerelosigkeit für materialphysikalische Experimente

Am Freitag, den 22. Mai 2009 startete um 12.32 Uhr die Forschungsrakete Mapheus (Materialphysikalische Experimente unter Schwerelosigkeit) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) vom Raketenstartplatz Esrange bei Kiruna in Nordschweden. Wissenschaftler des Kölner DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum wollen mit diesem Flug untersuchen, wie sich Flüssigkeiten in der Schwerelosigkeit verhalten. Dabei stehen die Eigenschaften von Flüssigkeiten und insbesondere die Erstarrung und die Entmischung im Mittelpunkt. In der Schwerelosigkeit ermöglicht das Fehlen der Auftriebskraft - anders als bei irdischen Versuchen - die exakte Messung unter kontrollierten und definierten Versuchsbedingungen.

Dafür haben die Kölner Wissenschaftler und Ingenieure der Mobilen Raketen Basis (MORABA) des DLR-Raumflugbetriebs in Oberpfaffenhofen die Rakete Mapheus entwickelt und gebaut. Die Projektleitung erfolgte durch das DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen. Die 113 Kilogramm schwere wissenschaftliche Nutzlast auf dem Jungfernflug von Mapheus besteht aus drei Experiment-Modulen und einem Batterie-Modul, entwickelt und gebaut im DLR Köln. Hinzu kommt eine Messplattform der Fachhochschule Aachen, Fachbereich Luft- und Raumfahrttechnik, und des DLR-Nutzerzentrums für Weltraumexperimente aus Köln.

DLR-Wissenschaftler arbeiten an MAPHEUS

Das Kernstück der Rakete ist das Servicemodul, welches die Datenübertragung und Zeitsteuerung der wissenschaftlichen Experimente sicherstellt und alle nötigen Sensoren für Beschleunigungs-, Drehraten- und Positionsmessung enthält, um die Rakete zu führen. Mittels Druckgas und Düsensystemen kann das so genannte Rate-Control-System (RCS-Modul) jede Drehbewegung während der ballistischen (antriebslosen) Flugphase oberhalb der dichten Atmosphäre minimieren und damit hervorragende Bedingungen für die Mikrogravitation, einen Zustand der minimalen Schwerkraft, schaffen.

Drei Minuten für Experimente in der Schwerelosigkeit - Mit 20-facher Erdbeschleunigung ins All

MAPHEUS wird vorbereitet

Die Mapheus-Experimente wurden von einem zweistufigen Feststoff-Raketenmotor auf eine Höhe von 140,8 Kilometer transportiert. Die erste Stufe brachte die Rakete auf eine Geschwindigkeit von 1940 Kilometer pro Stunde. Etwa neun Sekunden nach dem Abheben zündete die zweite Stufe. Nach dem Abtrennen der zweiten Raketenstufe verringerte in einer Höhe von 70 Kilometern ein so genanntes mechanisches Jo-Jo-System den größten Teil der Rotation um die Längsachse der Rakete. Ein ähnliches Prinzip benutzen auch Eiskunstläufer, wenn sie bei einer Pirouette die Arme ausstrecken, um sich langsamer zu drehen. Die sonst bei Raketenstarts und -flügen übliche Drehung um die Längsachse stabilisiert während des Aufstiegs die Flugbahn der Rakete, aber für diese Experimente musste diese neutralisiert werden, um die Schwerelosigkeit zu erreichen.

Das Innere des Experimentmoduls ATLAS-M

Danach begann in einer Höhe von mehr als 100 Kilometern die für die Wissenschaftler so wichtige Experimentierphase von rund drei Minuten. Nach deren Ende trat der Raketenteil mit den Experimenten wieder in die Erdatmosphäre ein. In etwa fünf Kilometern Höhe öffnete sich der Stabilisierungsschirm des Bergungssystems. Schließlich landete die Nutzlast mit den Experimenten mit etwa acht Metern pro Sekunde Sinkgeschwindigkeit (etwa 29 Kilometer pro Stunde) sicher in einem unbewohnten Gebiet in Nordschweden.

Für die Vorbereitung des Flugs sowie dessen Durchführung war die Mobile Raketen Basis des DLR-Raumflugbetrieb in Oberpfaffenhofen verantwortlich. Die Forschungsrakete Mapheus wird aus dem DLR-Forschungs- und Entwicklungsprogramm "Weltraum" finanziert und soll nach dem erfolgreichen Jungfernflug im jährlichen Rhythmus starten, um systematische materialphysikalische Untersuchungen zu ermöglichen.

Drei DLR-Institute, vier wissenschaftliche Experimente, fünf Raketen-Module

Die 113 Kilogramm schwere wissenschaftliche Nutzlast auf dem Jungfernflug Mapheus bestand aus drei Experiment-Modulen und einem Batterie-Modul, gebaut vom Kölner DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum. Zudem gab es eine Messplattform der Fachhochschule Aachen, Fachbereich Luft- und Raumfahrttechnik, und des DLR-Nutzerzentrum für Weltraumexperimente aus Köln.

Die DLR-Wissenschaftlicher wollen mit ihren Experimenten auf dem Erstflug insbesondere folgende Fragen klären:

• AEROGET (Herstellung von frequenzverdoppelnden Aerogelen, AEROGET = Aerogel-Gelation)
  
  In vier Kammern wurden kurz vor dem Einsetzen der Schwerelosigkeit optisch aktive Partikel in verschiedene Gele eingerührt, denen später im Labor die Flüssigkeit entzogen und durch Luft ersetzt wird (daher: Aerogel). Während der Schwerelosigkeit verfestigen sich die Gele. Dabei werden die Partikel gleichmäßig verteilt fixiert, was aufgrund der Sedimentation der schwereren Partikel auf der Erde nicht erreicht werden kann. Die optischen Eigenschaften dieser neuartigen Materialien werden nach der Rückkehr der Proben beim DLR in Köln untersucht und bestimmt.
  
• ATLAS-M (Diffusionsmessung in Metallschmelzen, ATLAS-M = Atomic Transport in Liquid Alloys and Semiconductors; das M steht für Mapheus)
  
  Zum besseren Verständnis von Erstarrungsvorgängen in Legierungen ist auch die Kenntnis des chemischen Diffusionskoeffizienten in der Schmelze erforderlich. Aufgrund der schwerkraftbedingten Auftriebskonvektion kann dieser nur stark fehlerbehaftet im irdischen Labor gemessen werden. Ziel dieses Experiments ist deshalb die Messung von genauen Diffusionskoeffizienten in schnell diffundierenden Modellegierungen in der Schwerelosigkeit.
  
  In acht Öfen wurden dazu insgesamt sechzehn Proben geschmolzen. An acht Proben wird die Fremddiffusion verschiedener Elemente in Germanium bei 950°C gemessen. An weiteren acht wird die Interdiffusion in Al-Cu (Aluminium-Kupfer) und Al-Ni (Aluminium-Nickel) bei 700 Grad Celsius gemessen. Die Vermessung und Auswertung der Proben erfolgt nach der Rückkehr beim DLR in Köln.
  
• ARTEX-M (Gerichtete Erstarrung von Al-Si-Legierungen, ARTEX-M = Aluminum Research and Technology Experiments; das M steht für Mapheus)
  
  Die mechanischen Eigenschaften eines Guss-Stückes, beispielsweise im Motorenbau, werden wesentlich durch den Gefügeaufbau bestimmt. Dieser wiederum wird durch Strömungen in der Schmelze während des Erstarrens verändert. Ziel dieses Experiments ist die Erstarrung von technisch relevanten Legierungen unter exakt definierten Bedingungen in der Schwerelosigkeit, um den Einfluss von auftriebskraftgetriebenen unkontrollierten Strömungen zu untersuchen. Diese Erkenntnisse fließen u. a. in numerische Simulationsmodelle ein, die von Gießereien verwendet werden können, um die richtigen Gießparameter bereits am Computer zu testen. Die Begutachtung der in der Schwerelosigkeit erzeugten Gefügestruktur erfolgt am DLR-Institut in Köln, wobei auch zerstörungsfreie Untersuchungsmethoden wie die dreidimensionale Computertomographie zum Einsatz kommen.
  
• RAMS (Beschleunigungs-Meßplattform, RAMS = Residual Accelerations Measurement System) (Fachhochschule Aachen und DLR-Nutzerzentrum für Weltraumexperimente, Köln)
  
  Für die Bewertung der wissenschaftlichen Experimentdaten dieses Raketenfluges wurden zusätzlich Restbeschleunigungswerte in der Schwerelosigkeitsphase gemessen, um die Qualität der erreichten Schwerelosigkeit exakt zu bestimmen. Dies ist auch im Hinblick auf die weitere wissenschaftliche Nutzung von Mapheus-Raketenflügen wichtig, um bei der Experimentauswahl den wichtigen Parameter der noch minimal vorhandenen Schwerelosigkeit, der so genannten Mikro-Gravitation (µg-Qualität,) in der Höhe über 100 Kilometer zu kennen und zu berücksichtigen.

Kontakt

Dr. Axel Griesche
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)<BR>Institut für Materialphysik im Weltraum<BR>Tel.: +49 2203 601-3206
Fax: +49 2203 61768<BR>E-Mail: axel.griesche@dlr.de

Andreas Stamminger<BR>Projektleitung REXUS/BEXUS, Projektleitung MAPHEUS<BR>Tel.: +49-421-24420-124<BR>Fax.: +49-421-24420-120<BR>Mobile: +49-172-1456583<BR>Email: andreas.stamminger@dlr.de

Josef Ettl<BR>DLR Raumflugbetrieb<BR>Mobile Raketen Basis MORABA<BR>Tel.: +49 8153 28 2715<BR>Fax.: +49 8153 28 1344<BR>Email: josef.ettl@dlr.de

Engelbert Plescher<BR>Fachhochschule Aachen<BR>FB6 Luft- und Raumfahrttechnik<BR>Hohenstaufenallee 6<BR>52064 Aachen<BR>Tel: +49 241 6009 52394<BR>Email: plescher@fh-aachen.de

Links

Institut für Materialphysik: http://www.dlr.de/mp/

Mobile Raketen Basis: http://www.dlr.de/rb/desktopdefault.aspx/tabid-4711/7804_read-12180/

Institut für Raumfahrtsysteme: http://www.dlr.de/irs/

DLR RB-MUSC: http://www.dlr.de/rb/desktopdefault.aspx/tabid-4535/

Fachhochschule Aachen, Fachbereich Luft- und Raumfahrttechnik: http://www.fb6.fh-aachen.de/uebersicht/home/