Experimente des 6. DLR-Parabelflug



6. bis 19. September 2004

Pilze und Pflanzen im Erdschwerefeld: langsame Reaktion, schnelle Auffassung

Werden Pilze oder Pflanzen horizontal gelegt, richten sich ihre Stiele beziehungsweise Sprosse erst in einigen Stunden wieder gerade auf. Auch die neue Ausrichtung von Wurzeln, die aufgrund der Erdschwere generell senkrecht in den Boden wachsen (gravitropische Krümmung), nimmt Stunden in Anspruch. Die Reaktionen laufen deshalb so langsam ab, weil die Krümmungsraten dieser pflanzlichen Organe durch ihre sehr geringen Wachstumsraten begrenzt werden.

Diese Beobachtung schließt aber keineswegs aus, dass die Wahrnehmung eines Schwerereizes (Graviperzeption) sehr schnell ablaufen kann. Die Graviperzeption ist der gravitropischen Krümmung vorgeschaltet und besteht aus sogenannten Primärreaktionen, die noch weitgehend unerforscht sind und die prinzipiell sehr schnell ablaufen können. Wir untersuchen die Primärreaktionen der Graviperzeption mit Hilfe spektroskopischer Methoden und setzen dabei zwei Pflanzen, Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) und Avena sativa (Hafer) sowie einen einzelligen Pilz, Phycomyces blakesleeanus, ein.

Eine neuartige, von uns entwickelte Methode, schnelle gravitropische Primärreaktionen zu messen, beruht auf der Beobachtung, dass ein Gravitationsreiz in Pilzen und Pflanzen Veränderung bei der Absorption von Licht auslöst. Gravitationsreize bestehen entweder in der Erhöhung der Erdbeschleunigung (Hypergravitation, etwa in einer Zentrifuge) oder aber in der Erniedrigung derselben, beispielsweise Schwerelosigkeit in Parabelflügen (Mikrogravitation). Durch die spektrale und kinetische Charakterisierung der Absorptionsänderungen lassen sich Rückschlüsse auf die molekulare Identität der Primärreaktionen ziehen, die bei der Gravitationsauffassung ablaufen. Wir haben bei früheren Parabelflügen herausgefunden, dass sowohl Arabidopsis und Avena als auch der Pilz, Phycomyces, auf Veränderungen der Erdbeschleunigung mit Absorptionsänderungen reagieren, die in nur wenigen Millisekunden eintreten.

Unsere Resultate zeigen, dass Pflanzen und Pilze Änderungen der Erdbeschleunigung in allerkürzester Zeit wahrnehmen, auch wenn die nachgeschaltete gravitropische Krümmung nur sehr langsam erfolgt. Ziel der Parabelflugexperimente ist es, möglichst detailliert die zellulären und molekularen Komponenten zu charakterisieren, die für die Wahrnehmung des Erdschwerefeldes verantwortlich sind.

Ansprechpartner:

Prof. Dr. P. Galland
Philipps-Universität Marburg

Prof. Dr. W. Schmidt
Universität Konstanz


Wo ist oben?
Stellen Sie sich vor, Sie tauchen. Woher wissen Sie, wohin Sie schwimmen müssen, um Luft zu holen? Dafür brauchen Sie ein Sinnesorgan, das Ohr. Woher weiß Ihr Ohr, wo Oben ist? Es benutzt dafür winzige Steinchen, die immer nach unten sinken. Jetzt haben Sie aber zwei Ohren und gerade beim Tauchen kann die Lage der Ohren sehr unterschiedlich sein. Das Gehirn hilft hier weiter. Es berechnet aus den Angaben der Ohren, aber auch der Augen die derzeitige Position.

Was aber, wenn man keine Ohren und erst recht kein Gehirn hat, aber trotzdem nach oben muss, um Licht zu bekommen? So geht es vielen Organismen im Wasser, die das Licht benötigen, um Photosynthese zu betreiben. Viele dieser Arten bestehen nur aus einer Zelle, die all das, wofür wir Ohren, Augen und ein Gehirn benötigen, ebenfalls leisten können. Eine Art, Euglena, lebt im Wasser, kann sich bewegen und reagiert auf Licht, die Schwerkraft und viele chemische Substanzen. Sie benutzt all diese Reize, um Stellen im Wasser zu finden, wo sie sich gut vermehren kann.

Diese Zellen besitzen keine Steinchen, die immer nach unten sinken. Dazu kommt, dass sich die Zellen während der Vorwärtsbewegung auch noch drehen. Trotzdem weiß Euglena ganz genau wo Oben oder Unten ist. Und das Überraschende ist: Euglena benutzt die gleichen Methoden wie wir, um die Richtung zu bestimmen, in die sie gerade schwimmt, aber ohne Steinchen. Steinchen kommen erst später in der Entwicklung der Arten und machen die Auswertung einfacher. Euglena ist also wie ein Blick zurück in unsere eigene Vergangenheit, kann uns aber gleichzeitig durch einen Vergleich etwas über unsere Gegenwart berichten.

Ziel des Parabelflugs ist es, die genauen Mechanismen der Schwerkraftwahrnehmung von Euglena herauszufinden. Dabei sind die wechselnden Phasen von Beschleunigung und Schwerelosigkeit, die beim Parabelflug erzielt werden sehr wichtig, da die zugrunde liegenden zellulären Sensorsysteme einmal im aktivierten und einmal im inaktivierten Zustand untersucht werden können.

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Donat-Peter Häder, PD Dr. Michael Lebert, Dr. Peter Richter, Martin Schuster
Universität Erlangen


Charakterisierung von Schwerkraftsensoren in höheren und niederen Pflanzen

Mit Hilfe dieses Parabelflugexperiments werden Sensormechanismen untersucht, mit denen Pflanzen die zweckmäßige Ausrichtung ihrer Organe (Spross, Wurzel, Äste und mehr) kontrollieren und eine unerwünschte Lageveränderung wahrnehmen und korrigieren (Gravitropismus, Gravimorphose). Diese überlebenswichtigen zellulären Mechanismen bedienen sich des einzig konstanten Umweltparameters, der Schwerkraft.

Nach Lageveränderung von Pflanzenorganen, wenn etwa durch einen Sturm Getreidehalme flachgelegt wurden, verlagern sich kleine Partikel (Statolithen) in speziellen Schwerkraft-wahrnehmenden Zellen in Richtung der Schwerkraft. Membranständige Sensormoleküle (Rezeptoren) nehmen diese Verlagerung wahr. Sie werden durch die Statolithenverlagerung aktiviert und setzen eine Kette von Reaktionen in Gang, die über eine lokale Änderung des Wachstums bestimmter Zellen zur Korrektur der Ausrichtung führt: Der Getreidehalm richtet sich wieder auf und die Frucht verfault nicht auf dem Boden.

Die eigentlichen Schwerkraft-Rezeptormoleküle sind noch unbekannt. Aber wie sie funktionieren, beziehungsweise wie sie aktiviert werden, lässt sich mit diesem Parabelflugexperiment untersuchen. Das Beschleunigungsprofil des Parabelflugs bietet die bestmöglichen Bedingungen für Untersuchungen, die zeigen werden, ob es sich bei dem Schwerkraftrezeptor um eine Art von Druckschalter (Mechanorezeptor) handelt, der durch das Gewicht der Statolithen oder durch Statolithen-vermittelten Zug aktiviert wird, oder ob ein einfacher Kontakt mit den Statolithen über molekulare, physiologische oder elektrische Wechselwirkungen den Rezeptor aktiviert (Kontaktrezeptor).

Das Experiment wird zeigen, ob Statolithen, die während der kurzen Mikrogravitationsphasen von jeweils 22 Sekunden schwerelos sind, aber stets in Kontakt mit dem Rezeptor bleiben, die Schwerkraftrezeptoren weiterhin aktivieren oder nicht. Fallen die Krümmungsreaktionen bei Flugproben deutlich geringer aus als bei Kontrollproben, deren Rezeptoren ständig mit Statolithen belegt sind und keine Mikrogravitationsphasen erfahren, so deutet dies auf Mechanorezeptoren hin. Sehr ähnliche Krümmungsreaktionen sprechen dagegen für Kontaktrezeptoren.

Erstmals lassen sich mit diesem Parabelflugexperiment Einblicke in die Funktionsweise biologischer Schwerkraftsensoren gewinnen, die die Eroberung des Festlandes durch die Pflanzen erst ermöglichten und die Lebensgrundlage für tierisches und menschliches Leben schafften.

Ansprechpartner:

Priv. Doz. Dr. Markus Braun, Dipl.Biol. Christoph Limbach
Universität Bonn

Manipulation der Gleichgewichtsstörungen hervorrufenden, abnormalen Mineralisation des Gleichgewichtsorgans beim Modellsystem Fisch

Gleichgewichtsstörungen führen beim Menschen zu Bewegungskrankheiten ("Kinetosen", etwa See-, Luft-, Reise- und besonders Raumkrankheit) und äußern sich in Orientierungsproblemen und Übelkeit. Frühere Parabelflugexperimente mit Fischen als Modellsystem für Wirbeltiere und damit auch für den Menschen haben ergeben, dass ungleiche ("asymmetrische") Schweresteinchen (Otolithen) im linken beziehungsweise rechten Innenohr die Ursache solcher Bewegungskrankheiten darstellen (kinetotische Fische schwimmen in Kreisen und taumeln um die Körperlängsachse).

Bei normaler Erdschwerkraft (1g) wird diese Asymmetrie vom Gehirn kompensiert. Unter veränderter Schwerkraft - insbesondere Schwerelosigkeit - wird die Kompensation noch für eine individuell unterschiedlich lange Zeitspanne aufrechterhalten. Dabei kommt es zu einem physiologischen Ungleichgewicht auf den Ebenen von Gleichgewichtsorgan und Hirn und damit zu Verrechnungsstörungen beim Abgleich der schwerkraftrelevanten mit den visuellen Informationen (intersensorischer Konflikt).

Es hängt von der Veranlagung eines Individuums (Mensch, Fisch) ab, ob sich eine Bewegungskrankheit ausbildet. Neben der Leistungsfähigkeit des visuellen Systems spielt es insbesondere eine Rolle, ob eine besonders hohe Asymmetrie der Otolithen vorliegt. Diese Otolithen bestehen im Wesentlichen aus einem Eiweißgerüst und Kalk (Calciumcarbonat), wobei dessen Einlagerung in die Steine vom Zentralen Nevernsystem gesteuert wird. Damit ist anzunehmen, dass die eigentliche Ursache für Bewegungskrankheiten auf eine zentralnervös gesteuerte, asymmetrische Einlagerung von Calcium zurückzuführen ist.

Es soll nun getestet werden, ob sich die Einlagerung von Calcium durch dauerhaft erhöhte beziehungsweise erniedrigte Schwerkraft manipulieren lässt. Dazu wollen wir Buntbarschlarven während ihrer Entwicklung zunächst in einer Zentrifuge (Hyper-g) beziehungsweise in einem Klinostaten (simulierte Mikrogravitation) halten. Anschließend soll im Rahmen der Parabelflüge getestet werden, ob sich die zuvor unter Hyper- beziehungsweise (simulierter) Mikrogravitation gehaltenen Fische während der Schwerelosigkeitsphasen unterschiedlich stark bewegungskrank verhalten.

Letztlich wird mit dem Experiment bezweckt, die neuronale Steuerung der Mineralisation von Otolithen zu beinflussen und anschließend Rückschlüsse auf deren Effizienz zu ziehen.

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Reinhard Hilbig, PD Dr. Ralf Anken
Universität Stuttgart-Hohenheim


Untersuchung der Muskelaktivität beim Training auf einem Fahrradergometersystem in Mikrogravitation

Astronauten befinden sich oft für verhältnismäßig lange Zeiträume im Zustand fast vollständiger Schwerelosigkeit (Mikrogravitation). Die fehlende Schwerkraft bewirkt im menschlichen Körper verschiedene, zum Teil nachteilige Effekte. Es stellt sich zum Beispiel eine veränderte Verteilung der Körperflüssigkeiten ein. Weiterhin ergibt sich ein Trainingsdefizit für alle Muskeln, die im Alltag auf der Erde wesentlich bei der Durchführung und Stabilisierung von Körperbewegungen und -haltungen gegen die Schwerkraft beteiligt sind. Als Folge konnten bei Astronauten Veränderungen sowohl der Muskelstruktur als auch der Muskelfunktion nachgewiesen werden.

Das DLR entwickelte gemeinsam mit der EADS Space Transportation GmbH in Bremen ein Gerät, das es Astronauten an Bord von Raumfahrzeugen ermöglicht, in Trainingssitzungen die auf der Erde bei aufrechter Körperhaltung durch Schwerkraft bewirkte Flüssigkeitsverschiebung in den unteren Körperbereich auf andere Weise zu bewirken. In diesem LBNP (Lower Body Negative Pressure) -System, einer raumsparenden Unterdruckkammer, wird die untere Körperhälfte des Astronauten einem Umgebungsluftdruck ausgesetzt, der gegenüber dem atmosphärischen Druck, der den Oberkörper umgibt, geeignet abgesenkt ist. Unabhängig von Schwerkraftwirkungen erfolgt dadurch ebenfalls eine Flüssigkeitsverschiebung in Richtung des unteren Körperbereichs.

Dieses LBNP-System ist bereits in einer früheren Space-Shuttle-Mission (Neurolab 1998) und bei einer früheren Parabelflugmission getestet worden. Sein zukünftiger Einsatz auf der Internationalen Raumstation ISS ist geplant. In einer Weiterentwicklung wurde das LBNP mit einem speziellen Fahrradergometer ergänzt. Ein Astronaut kann auf diese Weise im LBNP gleichzeitig oder alternativ ein gezieltes Herz-Kreislauf-Training und/oder ein Training seiner Bein- und Hüftmuskeln durchführen.

Die von uns im Rahmen der Parabelflüge des DLR und in zusätzlichen Laborexperimenten durchgeführten Messungen haben die Untersuchung und Bewertung der Praktikabilität und der Effizienz dieses kombinierten LBNP/Fahrradergometer-Systems als Muskeltrainingsgerät in Mikrogravitation zum Ziel. Insbesondere soll seine Eignung als Ersatz für das natürliche alltägliche Muskeltraining, wie es insbesondere beim normalen Gehen auf der Erde stattfindet, bewertet werden.

Hierzu werden die in den Muskeln mit ihrer Kraftentwicklung einhergehenden elektrischen Signale, die Elektromyogramme, gemessen. Die computerunterstützte elektromyographische Signalaufzeichnungs- und Signalauswertungstechnik, die bei diesem Vorhaben weiterentwickelt und unter diesen speziellen Bedingungen erprobt wird, kann auch für Muskelfunktionsanalysen in der experimentellen und klinischen Orthopädie, in der Physiotherapie und Rehabilitation, in der Ergonomie und in den Sportwissenschaften eingesetzt werden.

Das LBNP/Fahrradergometer-System wird in der Kabine des A300 Zero-G Airbus montiert. Versuchspersonen führen darin kontrollierte Übungen mit verschiedener Tretleistung in allen Phasen der Parabelflüge durch (normale Schwerkraft beim Horizontalflug, erhöhte Schwerkraft im Steig- oder Sinkflug unmittelbar vor beziehungsweise nach der Flugparabel für jeweils circa 20 Sekunden, Mikrogravitation während der Flugparabel für etwa 23 Sekunden). Die elektrische Aktivität ausgewählter Muskeln des Beines und der Hüftregion wird mit Hilfe von speziellen Elektroden abgeleitet und mit dem computerunterstützten elektromyographischen Mess-System aufgezeichnet.

Diese Signale werden mit speziellen Programmen ausgewertet und liefern Informationen über die mechanische Muskelaktivierung in den verschiedenen Gravitationszuständen und bei verschiedenen Tretleistungen. In zusätzlichen Laborexperimenten wird bei den Versuchspersonen mit der gleichen Messtechnik die Aktivierung der ausgewählten Muskeln beim normalen Gehen auf der Erde bestimmt. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit den bei den LBNP/Fahrradergometerübungen beim Parabelflug gewonnenen Ergebnissen ermöglicht für jeden untersuchten Muskel unter anderem eine Aussage, bei welcher Fahrradergometer-Tretleistung in Mikrogravitation eine ähnliche mittlere Aktivierung auftritt wie beim Gehen auf der Erde.

Ansprechpartner:

Dr. Friedrich Bodem, PD Dr. Andrea Meurer, Prof. Dr. J. Heine, Dr. Matthias Lochmann
Johannes Gutenberg-Universität Mainz


Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Augenbewegungen und Gleichgewichtssinn in Abhängigkeit von der Schwerkraft

Der Gleichgewichtssinn (vestibuläres System) erfasst zu jeder Zeit die Orientierung des Kopfes zur Schwerkraft. Gemeinsam mit dem Sehsinn (visuelles System) wird unter anderem die aufrechte Haltung des Körpers bestimmt. Ziel des Experiments ist es festzustellen, ob die Orientierung der internen Koordinatensysteme des visuellen sowie des vestibulären Systems zueinander durch veränderte Schwerkraftbedingungen beeinflusst wird.

Diese Fragestellung ist für die Erweiterung unserer Kenntnisse über die menschliche Raumorientierung sowie aus flugmedizinischen Gründen von großem Interesse. Die Ergebnisse der Studie werden dazu dienen, die Pathologie des vestibulären Systems nach Ausfall oder Teilausfall des Gleichgewichtssinnes besser zu verstehen. Man hofft, somit auch im klinischen Alltag bessere Diagnose- und Therapiemöglichkeiten von Gleichgewichts- und Bewegungsstörungen realisieren zu können.

Die Ausrichtung des visuellen Koordinatensystems kann durch die so genannte Listing’sche Ebene beschrieben werden, die eine Art grafisches Hilfsmittel zur Interpretation der Messergebnisse darstellt. Das vestibuläre Koordinatensystem wird durch die Orientierung des vestibulo-okulären Reflexes festgelegt. Bei diesem Reflex erfolgt aufgrund einer Kopfbewegung eine unbewusste Augenbewegung, wodurch beispielsweise ein Bild im Auge stabil gehalten wird.

Da das vestibulo-okuläre System den Schwerkraftvektor als Referenz ständig benutzt, wird vermutet, dass sich sowohl in Schwerelosigkeit als auch unter erhöhter Schwerkraft die Koordinatensysteme des visuellen und vestibulären Systems voneinander unterscheiden. Man nimmt an, dass das Auseinandergehen dieser beiden Systeme unter anderem zu Orientierungsstörungen und Schwindel mit eventuellen Folgeerscheinungen wie Übelkeit und Erbrechen führen kann.

Als Ergänzung zu einer auf der Internationalen Raumstation (ISS) gerade durchgeführten Experimentreihe sollen diese Phänomene bei Parabelflügen während Schwerelosigkeit und erhöhter Schwerkraft untersucht werden. Parabelflüge bieten eine einmalige Gelegenheit, solche Untersuchungen schnell und effizient durchzuführen, da hier Schwerelosigkeit, normale und erhöhte Schwerkraft in schnellem Wechsel aufeinander folgen. Dies erlaubt den Forschern, mit relativ wenig Versuchsaufwand mehrere Datenserien unter verschiedenen Bedingungen aufzunehmen, die somit eine hohe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ermöglichen. Weiterhin gibt dies den Forschern die Chance, die Experimente selbst durchzuführen, um somit einen optimalen Versuchsdurchlauf zu gewährleisten. Mögliche Fehlerquellen im Versuchsaufbau und Ablauf können hierbei erkannt werden, so dass eine reibungslose Durchführung bei den Langzeitversuchen der Astronauten auf der ISS sichergestellt wird.

Ansprechpartner:

Prof. Dr.-Ing. Andy H. Clarke
Freie Universität Berlin


Beanspruchungs- und Gesundheits-Analyse beim Menschen während eines Parabelfluges

HEALTHLAB ist ein modulares multifunktionelles System, das zur Aufzeichnung der Probandenbefindlichkeit und Stress auf der Basis der Analyse von Herz-Kreislauf- und Stimmparametern entwickelt und in einer Vorläuferversion auf der Raumstation MIR bereits erfolgreich eingesetzt worden ist. In der humanphysiologischen Forschung wird ein Mess-System gefordert, das in der Lage ist, möglichst umfassende Daten der Lebensfunktionen des Menschen im Sinne einer ganzheitlichen Betrachtung parallel zu erfassen und darzustellen.

HEALTHLAB integriert eine Vielzahl kommerziell erhältlicher und in der Praxis verwendeter Messgeräte für diesen Bedarf. Darüber hinaus erlaubt eine speziell entwickelte Software die unmittelbare Analyse der Daten zur schnellen Bewertung der physischen und psychischen Befindlichkeit und Leistungsfähigkeit der Versuchsperson. Durch konsequente Miniaturisierung sind alle Komponenten in einer Weste untergebracht. Dadurch ist die Versuchsperson uneingeschränkt beweglich. Das System ist für den Einsatz im russischen Teil der ISS im Rahmen der Operationellen Weltraummedizin (Befindlichkeit, Gesundheitsmonitoring), der wissenschaftlichen Forschung (wie Herz-Kreislauf-Diagnostik, Stressforschung) und für ein On-Board-Training (Kopplungsmanöver, Kanada-Arm) vorgesehen.

Im Parabelflug erfolgen kurzzeitige Wechsel zwischen normaler Schwerkraft, Schwerelosigkeit und "Überschwere". Diese körperliche und psychische Belastung soll in seiner Auswirkung auf das Herz-Kreislauf-System und mehr noch auf die Leistungsfähigkeit der Versuchspersonen analysiert werden. Eine ähnliche Situation erfahren Astronauten bei Ihrer Rückkehr zur Erde, bei der sie dann im Falle der Handsteuerung oder anderer operationeller Tätigkeiten folgerichtig entscheiden und handeln müssen.

Auf dem Parabelflug wird das System technisch geprüft und es werden wissenschaftliche Daten gewonnen. Die Versuchspersonen tragen die Geräte unter der Kleidung und gehen ihrer normalen, experimentellen oder fliegerischen Tätigkeit nach. Sie markieren lediglich mit einer Taste, wie sie sich fühlen. Das System HEALTHLAB zeichnet neben den lebenswichtigen Parametern gleichzeitig den Status der aktuellen psychophysiologischen Beanspruchung auf. Die Auswertung soll später Voraussagen über die individuelle Einsatzfähigkeit von Personen bei anspruchsvollen Tätigkeiten ermöglichen.

Die derzeitige Entwicklung zeigt einen steigenden Bedarf eines derartigen mobilen Systems für den terrestrischen Einsatz bei unterschiedlichen Nutzergruppen:

Pilotentestung in der zivilen und militärischen Luftfahrt
Erforschung des Fahrerverhaltens im Straßenverkehr
Untersuchung menschlicher Leistungsfähigkeit in extremen Umwelten (Isolation, Höhenforschung, Antarktis)
Ansprechpartner:

Dr. Bernd Johannes, Dr. Hans-Ulrich Hoffmann, Dr. Klaus-Martin Goeters, Dr. Peter Maschke, Dr. Dirk Stelling
DLR-Institut für Luft- u. Raumfahrtmedizin, Hamburg


Kognitive Belastung in Schwerelosigkeit

Die Schwerelosigkeit hat vielfache Auswirkungen auf den menschlichen Organismus, unter anderem führt sie zu Störungen der Bewegungskoordination. So werden beispielsweise Zeige- oder Greifbewegungen langsamer und ungenauer. Das Projekt untersucht die Frage, ob diese Störungen zumindest teilweise durch erhöhte kognitive Anstrengung kompensiert werden können. Dazu werden die Testpersonen eine relativ schwierige motorische Aufgabe durchführen, während zugleich die kognitive Anstrengung mit Hilfe einer Zweitaufgabe registriert wird (ein so genanntes "Doppeltätigkeits-Paradigma").

Das Parabelflug-Projekt dient zugleich der Vorbereitung eines größeren Vorhabens auf der Internationalen Raumstation ISS, das im März 2005 starten soll. Ziel der Untersuchungen ist ein besseres Verständnis der menschlichen Arbeitsbelastung unter Schwerelosigkeit, das zur Planung künftiger bemannter Weltraumflüge beitragen soll. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse werden in Zusammenarbeit mit Seniorengruppen und einer Volkshochschule angewendet, um die kognitive Belastung älterer Menschen zu erfassen und Trainingsprogramme zur Unfallvermeidung zu entwickeln.

Ansprechpartner:

Dr. Cornelia Weigelt, Prof. Dr. Otmar Bock
Deutsche Sporthochschule Köln


Planetenentstehung im Labor

Erdähnliche Planeten entstehen durch die Zusammenballung ursprünglich mikroskopisch kleiner Staubpartikel. Da die Schwerkraftunterstützung beim Staubwachstum von noch sehr kleinen Planetenvorläufern fehlt, müssen Experimente dazu in Schwerelosigkeit durchgeführt werden. Die in den Parabelflügen auszuführenden Versuche dienen der Vorbereitung eines größeren Experimentzykluses auf der Internationalen Raumstation ISS.

Sie beschäftigen sich zum einen mit dem Aufbau einer Staubwolkenfalle, mit der Staubwachstumsexperimente praktisch unbegrenzt durch äußere Störeinflüsse durchgeführt werden können und zum anderen mit der Entwicklung eines Experiments zur Erzeugung zentimetergroßer, hochporöser Staubschichten. Mit diesen Staubschichten sollen auf der ISS einerseits Stoßversuche zur Planetenentstehung, andererseits aber auch Experimente zur Simulation von staubbedeckten Oberflächen kleiner Körper im Sonnensystem (Monde, Asteroide, Kometen) durchgeführt werden.

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Jürgen Blum, Dipl.-Phys. Ingo von Borstel, Dr. Rainer Schräpler
Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig

Julia Steinbach
Friedrich-Schiller-Universität Jena


Plasmaphysik unter Schwerelosigkeit

Plasma - das heißeste Glied in der Serie fest, flüssig, gasförmig, ionisiert - gilt allgemein als der ungeordnetste Materiezustand. Plasma ist der Stoff, aus dem Blitze, Nordlichter oder das leuchtende Medium in der Energiesparlampe und in Plasmabildschirmen bestehen. Überraschenderweise entdeckt man im Labor, dass sich trotz der hohen Temperatur feine Staubpartikel in einem Plasma zu regelmäßigen Mustern zusammenfügen können, so genannten Plasmakristallen. Diese stellen seit zehn Jahren ein interessantes Forschungsgebiet dar, in dem man durch direkte Beobachtung der Bewegung von Staubpartikeln mit einem Videomikroskop Prozesse, wie Wellenvorgänge oder das Schmelzen eines festen Körpers verfolgen kann.

Was ist ein Plasmakristall? Im Gegensatz zu Kristallen aus neutralen Atomen, in denen die Atome dicht gepackt sind und sich durch anziehende Wechselwirkungen zusammenhalten, bestehen Plasmakristalle aus elektrisch gleichartig geladenen Staubpartikeln, die sich untereinander abstoßen und die durch eine äußere elektrische Falle eingeschlossen werden. Dadurch nehmen die Staubpartikel untereinander die größtmöglichen Abstände ein und der Kristall wird so transparent, dass man die Bewegung aller Partikel sieht, was in echten Festkörpern unmöglich ist.

Diese Art von Untersuchungen war bisher auf nahezu zweidimensionale Plasmakristalle beschränkt, weil die Wolke aus Staubpartikeln unter dem Einfluss der Schwerkraft zu einem flachen "Pfannkuchen" zusammengedrückt wurde. Hier hilft nun das Experimentieren unter Schwerelosigkeit, wo man dreidimensional ausgedehnte Partikelwolken erzeugen kann. Seit mehreren Jahren wird versucht, unter Schwerelosigkeit echte voluminöse Plasmakristalle zu erzeugen. Dabei müssen aber erst andere störende Effekte verstanden und beseitigt werden. Zu diesen gehört das Auftreten von unerwünschten Hohlräumen im Zentrum der Staubwolke.

Die Kieler Forscher aus der Arbeitsgruppe von Professor Piel haben nun erstmalig auch kugelförmige Plasmakristalle im Labor herstellen können und wollen diese Methode unter Schwerelosigkeit weiterentwickeln. Zu den nötigen Untersuchungen gehört eine möglichst präzise Vermessung der Plasmakenngrößen, wie das Dichteprofil des Plasmas und die elektrischen Felder, um damit vergleichende Modellrechnungen anstellen zu können. Dieses ist bereits der dritte Parabelflug, an der die Kieler Forscher teilnehmen und bei denen sie ihre elektrischen Meßmethoden Schritt für Schritt verfeinert haben.

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Alexander Piel, Dipl.-Phys. Oliver Arp, Dipl.-Phys. M. Klindworth, Mathias Kroll, Iris Pilch
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel


Herstellung von Hybrid-Aerogelen unter Schwerelosigkeit

Aerogele sind hochporöse nanostrukturierte Werkstoffe, die über die Sol-Gel Technik hergestellt werden. Hier wird aus einer Flüssigkeit (Sol) ein nasses Gel erzeugt (vergleichbar einem Wackelpudding), dem in einem weiteren Verfahrensschritt die Restflüssigkeit entzogen wird. Übrig bleibt die skelettartige Struktur eines Aerogels. Dieser Name leitet sich aus der griechischen Bezeichnung für aeros (Luft) ab und weist damit auf eine seiner Eigenschaften hin: Aerogele können bis zu 99,9 Prozent aus Luft bestehen und sind sehr leicht.

Auf dem Parabelflug soll ein Verbundwerkstoff aus einem Aerogel und Bariumtitanatteilchen (Hybridaerogel) herstellt werden, da solche Werkstoffe neuartige optische Eigenschaften haben könnten. Dazu wird eine so genannte Silicaaerogellösung vorbereitet, zu der Bariumtitanatteilchen zugemischt werden. Auf der Erde sinken diese Teilchen in der Lösung rasch zu Boden (Sedimentation). Die Silicaaerogellösung besteht aus Ethanol, Tetraethylorthosilikat, Wasser und Ammoniumfluorid. Kommen diese Komponenten miteinander in Kontakt, so setzt fast augenblicklich der Gelierungsprozess ein.

Da die Gelierung jedoch unter Schwerelosigkeit erfolgen soll, müssen die flüssigen Komponenten bis zum Beginn der Schwerelosigkeit voneinander getrennt gehalten werden. Die Gelierdauer wird so eingestellt, dass sie genau in der Phase einer Parabel und damit in der Schwerelosigkeit erfolgt. Zudem wurde eine Anlage entwickelt, mit der die winzigen Bariumtitanatteilchen in der Lösung fein verteilt werden können. Durch die Gelierung der Flüssigkeit wird die Sedimentation der Teilchen gestoppt und die Teilchen liegen homogen verteilt im Aerogel vor.

Ansprechpartner:

Dr.- Ing. Sabine Brück, Cand-Ing. Peter Haubner, Prof. Dr. L. Ratke, Dipl. Ing. H. E. Richter
DLR, Köln

Priv.-Doz. Dr. T. Woike
Universität Köln

Prof. Dr. M. Imlau
Universität Osnabrück


Chemisch getriebene Grenzflächenkonvektion an Flüssigkeit-Flüssigkeit-Grenzschichten

Gegenstand des vom DLR und der ESA geförderten Projekts ist die hydrodynamische Strukturbildung an Grenzflächen unter dem Einfluss einer chemischen Grenzflächenreaktion. Für die Realisierung wird eine transparente Experimentierzelle verwendet, in der zwei flüssige Phasen, die chemisch-reaktive Stoffe enthalten, störungsarm in Kontakt gebracht werden. Infolge der dadurch einsetzenden Grenzflächenreaktion kommt es zur Produktion von grenzflächenaktiven Stoffen.

Die dadurch bewirkte lokale Absenkung der Grenzflächenspannung führt sowohl zur Entstehung großskaliger Formveränderungen der Grenzfläche als auch zum Entstehen der durch Grenzflächenspannung getriebenen Konvektion (Marangoni-Konvektion). Die Dynamik dieser Prozesse wird während des Fluges mittels eines optischen Verfahrens und einer Digitalkamera aufgezeichnet.

Die Zielstellung des Parabelflugexperiments besteht zum einen in der Untersuchung des chemischen Systems in verschiedenen Geometrien der Experimentierzelle ohne den bislang unverstandenen Einfluss der Schwerkraft. Zum anderen soll eine teilautomatisierte Vorrichtung zum blasenfreien Füllen leicht flüchtiger Stoffe getestet werden, die in einem ballistischen Raketenflugexperiment zum Einsatz kommen soll.

Ein gutes Verständnis der Strukturbildung an Grenzflächen durch chemische Reaktion ist von Bedeutung für Zusammenfügung-, Misch- oder Trennprozessen in der chemischen oder pharmazeutischen Industrie. Als weiterer Einsatz wären neue Technologien für das Recycling von Ölen oder für die Förderung von Erdöl denkbar.

Ansprechpartner:

Dr. Kerstin Eckert, Dr. Ying Shi, Dipl. Phys. Armin Heinze, Mike Winter
Technische Universität Dresden


Schwerkraftwahrnehmung von Ciliaten bei variierter Beschleunigung
Schülerinnen und Schüler experimentieren unter Schwerelosigkeit

Seit etwa vier Milliarden Jahren bevölkert Leben die Erde. Der Vergleich verschiedenster Zellformen zeigt immer wieder identische molekulare Bausteine und Strukturen - von einfachen Einzellern bis hin zu hoch spezialisierten Zelltypen. Seit vielen Jahren werden daher Ciliaten (Wimperntierchen) als Modellsysteme zur Erforschung der Schwerkraftwahrnehmung auf zellulärer Ebene verwendet.

In den vergangenen Jahren konnte gezeigt werden, dass diese Einzeller die Richtung der Schwerkraft mit Hilfe der eigenen Zellmasse wahrnehmen und - abhängig von ihrer Ausrichtung zur Schwerkraft - ihre Schwimmgeschwindigkeit regulieren: Nach unten schwimmende Zellen bremsen ab, während nach oben schwimmende Zellen beschleunigen. So wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die Zellen die Wasseroberfläche erreichen, an der sie ihre Futterorganismen (Bakterien) finden.

Wissenschaftler des DLR führten in Kooperation mit verschiedenen Instituten (Universitäten Bochum, Bonn, Erlangen) Experimente mit Ciliaten unter Schwerelosigkeit durch (im Fallturm, in Parabel- und Raketenflügen, sowie auf Space-Shuttle-Missionen). Diese Versuche dienten der Kontrolle und weiteren Charakterisierung der Reaktionen von Einzellern auf die Schwerkraft. Auf dem 5. Parabelflug (Juni 2003) wurden variable Beschleunigungen genutzt, um herauszufinden, welchen Teil der Schwerkraft der Erde Einzeller gerade noch wahrnehmen können. Diese Schwellenwerte sind wichtige Daten der Grundlagenforschung für Experimente auf der ISS und für Simulationsexperimente auf der Erde.

Bei dem diesjährigen 6. DLR Parabelflug werden Schülerinnen und Schüler die Reaktionen von Paramecium aurelia (ein Pantoffeltierchen), mit dem schon zahlreiche Messungen durchgeführt wurden, beobachten. Mit an Bord geht außerdem ein weiterer Einzeller, Ophryoglena flava. Hier deuten Voruntersuchungen auf eine ungewöhnliche Verteilung der Schwerkraftrezeptoren hin.

Ansprechpartner:

Dr. rer.-nat. Richard Bräucker, Jan Bechert, Oliver Grundmanns
DLR-School-Lab Köln-Porz

Barbara Knieps
Gymnasium Nonnenwerth, Remagen

Daniela Harting
Beethoven Gymnasium, Bonn

Britta Berschick
Erzbischöfliche Ursulinenschule, Köln


"Mikrofluidische Strukturen" - Untersuchung der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit verschiedener neuartiger mikrofluidischer Strukturen unter den Bedingungen der Mikrogravitation

Die enormen Fortschritte bei der Entwicklung von Biochips eröffnen auch in der medizinischen Diagnostik neue Dimensionen. Dabei kommt angesichts der wachsenden Finanzierungsprobleme im Gesundheitswesen vor allem dem Aspekt der möglichen Kosteneinsparungen besondere Bedeutung zu. Die wissenschaftliche und technische Entwicklung hat in den vergangenen Jahren viele Ansätze hervorgebracht, wie diagnostische Fragestellungen mit Hilfe von Multiparametertests umgesetzt werden können. Am weitesten ist dabei die Entwicklung auf dem Gebiet der so genannten Biochips gediehen, insbesondere im Bereich der DNA-Chips. Parallel dazu wurden andere Testformate entwickelt, so auch mikrofluidische Systeme, also kleinste, von Flüssigkeiten durchströmte Strukturen.

Mikrofluidische Systeme bieten die Möglichkeit, diagnostische Verfahren massiv zu verkleinern und gleichzeitig die Anzahl der Proben zu erhöhen. Aufgrund der Verkleinerung sind schnellere Reaktionen, höhere Empfindlichkeit und bessere Kontrolle über die Abläufe im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zu erzielen. Die Entwicklung eines zuverlässig funktionierenden mikrofluidischen Chips ist somit ein entscheidender Meilenstein auf dem Weg zu einem innovativen, miniaturisierten Diagnostiksystem.

"Passive" mikrofluidische Chips - hierbei werden die Flüssigkeiten gezielt nur durch Kapillarkräfte (in engen Röhren auf Flüssigkeiten wirkende Kräfte) bewegt - enthalten dreidimensionale Elemente von sehr unterschiedlicher Größe. So muss etwa am Übergang von Haarröhrchen und Raktions-Kammer die wirbelfreie Flüssigkeitsströmung zum Boden des Gefäßes gerichtet sein, um dieses vollständig zu füllen. Aufgrund weiterer Kapillaritäten, die unter anderem durch den Deckel und die Seitenwände des Reaktionsgefäßes gebildet werden, besteht jedoch die Möglichkeit anderer Strömungsrichtungen. Daher wird an diesem Übergang eine chaotische Strömung erwartet, die nicht zu kontrollieren ist.

Die Entwicklung mikrofluidischer Chips mit zuverlässigem Füllverhalten ist eine essentielle Voraussetzung für die Verbreitung dieser zukunftsträchtigen Technologie im Bereich der Labor-Diagnostik auf der Erde. Trotz zahlreicher weltweiter Anstrengungen liegen zuverlässige Daten über geeignete Strukturen bislang nur in ungenügenden Maßen vor. MERLIN Technologies GmbH verfolgt daher als Ziel des Projektes, die Befülldynamik neuartiger mikrofluidischer Chips auf einem Parabelflug unter reduzierter Schwerkraft zu untersuchen sowie die Funktionsweise und Zuverlässigkeit neuartiger mikrofluidischer Strukturen durch Überprüfung zu bestätigen. Schwerpunkte sollen dabei gesetzt werden auf:

das Design der Verteilungs- und Belüftungskanäle
den Einfluss spezieller Dimensionen (Höhe der Strukturen)
das Design der Kapillar-Stop-Strukturen
den Einfluss der Oberflächen-Energie der Flüssigkeit auf das Fließverhalten
die Statistische Analyse der Füllzeit
Diese Experimente sind Schlüsselelemente für die Entwicklung eines mobilen und miniaturisierten Diagnostiksystems. Diese Entwicklung wird als Pilotprojekt der vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) e.V. und der Projekt Ruhr GmbH getragenen Initiative ISS Lab Ruhr gestützt.

Ansprechpartner:

H. Backes
MERLIN Technologies GmbH, Eschweiler

Dr. M. Massow
Projektbüro ISS Lab Ruhr, Bonn


TEMPUS (Tiegelfreies elektromagnetisches Positionieren unter Schwerelosigkeit)

Tempus ist eine wissenschaftliche Experimentanlage für Untersuchungen an flüssigen und unterkühlten Metallen und Legierungen. Es besteht aus einem Spulensystem, in dem hochfrequente Magnetfelder erzeugt werden. In diesen Feldern können elektrisch leitende Proben mit typischen Durchmessern von sechs bis zehn Millimetern Größe durch magnetische Induktion zum Schweben gebracht, induktiv erhitzt und geschmolzen werden. Der entscheidende Unterschied dieses Verfahrens zu herkömmlichen Schmelzöfen besteht im behälterfreien Handhaben der in der Schwebe gehaltenen Metallschmelzen, die dadurch nicht mit einem Tiegelmaterial reagieren können. So kann die Schmelze auch unterhalb des Schmelzpunktes bis zu gewissen Temperaturen flüssig bleiben.

Das Verfahren ermöglicht präzise Messungen von Materialeigenschaften der flüssigen Metallschmelze und der festen Probe über einen weiten Temperaturbereich. Durch Kenntnis dieser Materialdaten können beispielsweise technische Prozesse zur Herstellung von Hochleistungs-Legierungen optimiert werden, die in technischen Anwendungen mehr und mehr zum Einsatz kommen. Beispiele hierfür sind amorphe (glasartige) Legierungen, wie Spezialstähle und Titan-Legierungen.

Unter Schwerelosigkeit sind zur Positionierung der Probe in der Spule schwächere Felder nötig, als unter herkömmlichen Bedingungen auf der Erde. So kann der Temperaturbereich, in dem die flüssigen Proben untersucht werden können, unter Umständen zu niedrigeren Temperaturen hin ausgedehnt werden. Des Weiteren findet unter Schwerelosigkeit keine Konvektionsströmung in der flüssigen Probe statt, wie es bei der erdgebundenen Levitation unvermeidbar ist. So können die Wissenschaftler die Schmelzen annähernd ungestört beobachten, was sich wiederum auf die Genauigkeit einiger Messmethoden und die daraus gewonnenen Materialdaten auswirkt.

Während des 6. DLR-Parabelflugs arbeiten neun Arbeitsgruppen an der Anlage mit verschiedenen Metallen und Fragestellungen:

Untersuchung des Erstarrungsvorganges von Kupfer-Kobalt-Legierungen in Schwerelosigkeit - Unterkühlung und Entmischung

Behälterloses Prozessieren ist eine Methode, die zur Untersuchung der Keimbildung und Erstarrung metallischer Schmelzen angewendet wird. Während die Erstarrung einer Schmelze in einem Tiegel in der Regel am Schmelzpunkt durch Keimbildung an den Tiegelwänden eingeleitet wird, erlaubt das behälterlose Prozessieren eine deutliche Unterschreitung des Schmelzpunktes, die Unterkühlung der Schmelze. Als terrestrische Methode sei die elektromagnetische Levitation genannt, bei der über eine leitfähige Spule elektromagnetische Wechselfelder in der Probe induziert werden, welche die Probe schmelzen und gegen die Gravitationskraft in der Schwebe halten.

Im vorliegenden Experiment werden metastabile Zustände von Kupfer-Kobalt-Schmelzen untersucht, die erst bei einer Unterkühlung von über 100 Grad Celsius unter den Schmelzpunkt - genauer: unter die Liquiduslinie - auftreten. Die homogene Schmelze entmischt in einen Kobalt-reichen und einen Kupfer-reichen Anteil. Auf Grund der hohen Unterkühlung der Schmelze ist die schließlich eintretende Erstarrung äußerst schnell. Dadurch werden die metastabilen Zustände "eingefroren" und können nach dem Experiment im Elektronenmikroskop untersucht werden.

Experimente während der beiden DLR-Parabelflüge 2002 und 2003 demonstrierten bereits den Vorteil der TEMPUS-Anlage in Schwerelosigkeit im Vergleich zu terrestrischen Anlagen: Die elektromagnetischen Positionierfelder können im freien Fall erheblich geringer sein. Dadurch wird das Erstarrungsexperiment weniger durch induzierte Wirbelfelder gestört und der Entmischungsvorgang kann besser analysiert werden. Kupfer-Kobalt-Legierungen sind als dünne Schichten für elektronische Speichermedien im Gespräch.

Ansprechpartner:

Dr. Matthias Kolbe, Dr. Sven Reutzel, Prof. Dr. Ivan Egry
DLR, Köln-Porz


Einfluss von Flüssigkeitsströmungen auf die Phasen- und Mikrostrukturbildung in Neodym-Eisen-Bor-Schmelzen

Das Parabelflugexperiment ist Teil eines deutsch-japanischen Kooperationsprojekts, das die Untersuchung der Strukturbildung in speziellen magnetischen Legierungen von Übergangsmetallen (wie Eisen, Kobalt) und seltenen Erden (wie Niodym, Terbium, Samarium) zum Gegenstand hat. Diese Materialklasse hat in den 80er Jahren einen Sprung in der Entwicklung von neuartigen Hochleistungsmagneten für die technische Anwendung eingeleitet.

Bei dem Experiment wird das Erstarren von Niodym-Eisen-Bor-Schmelzen untersucht, die ein komplexes Kristallisationsverhalten in unterschiedliche Festkörperstrukturen aufweisen. Dabei soll der Einfluss von Flüssigkeitsströmungen in der Schmelze auf die Kristallisationskinetik und die Ausbildung der Gefügestrukturen abgeschätzt werden. Solche Konvektionsströme erreichen bei elektromagnetischen Schwebeexperimenten im Erdlabor hohe Geschwindigkeiten bis zu einem Meter pro Sekunde und sind unter Mikrogravitation deutlich unterdrückt. Niodym-Eisen-Bor-Legierungen besitzen herausragende, hartmagnetische Eigenschaften, die empfindlich von den Anteilen und der räumlichen Anordnung der verschiedenen magnetischen Festkörperphasen bestimmt sind.

In der industriellen Entwicklung und Herstellung werden die strukturellen und magnetischen Eigenschaften durch aufwendige Nachbehandlungen von bereits erstarrten Gusslegierungen eingestellt. Die allgemeine Zielsetzung der Untersuchungen besteht darin, schon bei der Herstellung der Legierung aus dem schmelzflüssigen Zustand die Strukturbildung durch geeignete Prozessparameter (wie Unterkühlung der Schmelze, Abkühlgeschwindigkeit, Zusammensetzung sowie externe Magnetfelder) gezielt zu steuern, um Materialeigenschaften zu optimieren und Verarbeitungsschritte einzusparen. Experimente während des Parabelflugs 2003 weisen auf den Einfluss äußerer magnetischer Felder auf die Gefügestruktur der erstarrenden Proben hin, der im Erdlabor erst bei deutlich größeren Feldstärken zu erwarten ist.

Ansprechpartner:

Dr. Sven Reutzel
Ruhr-Universität Bochum/DLR, Köln-Porz

Dr. Thomas Volkmann, Jörn Strohmenger, Dr. Dieter Herlach
DLR, Köln-Porz

Dr. Heinrich Bach
Ruhr-Universität Bochum

Dr. Wolfgang Löser
Technische Universität Dresden

Dr. Takeshi Okutani
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Ibaraki/Japan

Dr. Jianrong Gao
Northeastern University, Shenyang/China


Experiment zur Bestimmung der Oberflächenspannung und der Viskosität flüssiger Aluminium-Legierungen

Bei allen Forschungs- und Entwicklungsprozessen stehen für ein Industrieunternehmen der direkte Nutzen und die zügige Abwicklung seines Handelns im Vordergrund. Ein zunehmend bedeutender Forschungsbereich ist weiterhin die Simulation von Produktionsprozessen wie beispielsweise das Gießen von Motorblöcken und Zylinderköpfen. Aus diesen Gründen wurde das elektromagnetische Positionieren unter Schwerelosigkeit (TEMPUS) ausgewählt.

Mit der TEMPUS-Methode können schmelzflüssige Metallkugeln zum Schwingen angeregt werden. Aus dem mit Hochgeschwindigkeitskameras aufgezeichneten Dämpfungsverhalten dieser Schwingungen unter Schwerelosigkeit ist die Bestimmung der Oberflächenspannung und der Viskosität der Legierung in Abhängigkeit von der Temperatur möglich. Aluminium, als eigentlich unedles Metall, weist eine hohe Neigung zur Bildung von oberflächenstabilisierenden Oxiden auf. Diese verhindern das Durchrosten, behindern aber durch ihre frühe Bildung auch die Untersuchung von freien Oberflächenschwingungen. Daher müssen Aluminiumlegierungen unter Schutzgas untersucht und zur Beseitigung der Oxide weit über ihren Schmelzpunkt hinaus erhitzt werden.

Da die Schmelztemperatur weit niedriger ist als bei ansonsten häufiger auf solche Weise untersuchten Schwermetallen und Legierungen, ist nicht das Überhitzen das Problem, sondern das Abkühlen in der kurzen Versuchszeit eines Schwerelosigkeitsexperiments. Für diese Abkühlung wurde ein Düsensystem entwickelt, das bereits während des Parabelflugs 2002 mit zwei Aluminiumlegierungen erfolgreich getestet wurde. So war es bereits möglich, erste Schwingungsanregungen auch an schon im Erstarren begriffenen Proben durchzuführen.

Die Auswertungen waren damals bereits aufschlussreich. Werte für die teilerstarrten Schmelzen konnten jedoch nicht genau ermittelt werden. Im Sommer 2003 fand ein zweiter Parabelflug mit verbessertem Experimentaufbau statt, bei dem weitere wichtige Messwerte bestimmt wurden. Beim Parabelflug 2004 kommen nun verschiedene Videosysteme zum Einsatz, um auch für die niedrigen Temperaturen während des Übergangs von flüssig nach fest eine kontrastreiche Aufzeichnung der Schwingungen zu erhalten.

Genau beim Übergangsbereich von flüssig zu fest sind die thermophysikalischen Daten für die Simulation am wenigsten bekannt. Hier erwartet man sich den größten Wissensgewinn durch weltraumbasierten Messkampagnen, wie sie später auf der ISS durchgeführt werden können. Für die nähere Zukunft ist zunächst ein Raketenflug anvisiert, für den die Parabelflugdaten entscheidend zur Optimierung der Versuchsparameter und Anlagenkonstruktion beitragen werden.

Ansprechpartner:

Dr. Wilfried Bender, Gerd-Ulrich Grün
Hydro Aluminium Deutschland GmbH, Bonn


Oberflächenspannung und Viskosität industrieller Metalllegierungen

Bei industriellen Gießverfahren wie zum Beispiel von Motoren oder Turbinenschaufeln für Hochtemperaturanwendungen werden zunehmend Computersimulation des Gieß- und Erstarrungsprozesses einschließlich der resultierenden Gefügestruktur des Bauteils eingesetzt. Die Simulation hat inzwischen einen sehr hohen Grad an Wissenschaftlichkeit erreicht. Die Vorteile sind vielfältig und betreffen alle Phasen des Herstellungsprozesses einschließlich der resultierenden Materialeigenschaften des Endproduktes.

So erlaubt die Erhöhung der Festigkeit bei gleichzeitiger Zurückführung der Wandstärke eine höhere Betriebstemperatur und damit einen besseren Wirkungsgrad der Treibstoffnutzung. Ähnliches gilt im Bereich der Hochtemperatur-Legierungen, die bei Turbinenschaufeln zur Energieerzeugung zum Einsatz kommen. Hier führt eine Erhöhung der Betriebstemperatur aufgrund verbesserter Materialeigenschaften zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades und damit zu einer Minderung des Energiebedarfs. Ähnliche Aspekte gelten für den industriellen Herstellungsprozess selbst.

Um die Vorteile der Computersimulation von Gießprozessen und Materialeigenschaften nutzen zu können, bedarf es der Kenntnis der für diese Prozesse relevanten Materialeigenschaften des flüssigen Zustands von Metallen. Hier setzt das vorliegende Experiment an. Wegen der großen chemischen Reaktivität flüssiger Metalle ist es sehr schwierig, diese Eigenschaften, wie zum Beispiel die Viskosität und Oberflächenspannung, aber auch die spezifische Wärme und Wärmeleitfähigkeit an flüssigen Metallen zu messen. Durch kontaktlose Messungen an frei schwebenden, elektromagnetisch Proben - ähnlich dem Prinzip der Magnetschwebebahn - werden diese Eigenschaften direkt messbar, ohne dass eine Verunreinigung der Probe die Resultate beeinflusst.

Die geplanten Messungen sind Teil eines umfassenderen Projektes, (ThermoLab) bei dem in vorangegangenen Parabelflügen die Oberflächenspannung und Viskosität verschiedener industrieller Metalllegierungen, wie etwa die von Titan- und Nickel-Basis-Legierungen gemessen wurden. ThermoLab ist ein europäisches Projekt mit beteiligten Gruppen aus vier Ländern. Das Projekt wird in enger Zusammenarbeit mit einer industriellen Projektnutzergruppe durchgeführt, welche die Probensysteme und die zu messenden Eigenschaften vorschlägt.

Im Parabelflug 2004 sollen nun die Oberflächenspannung und Viskosität von zwei verschieden Stählen, einer Kupfer-Legierung sowie einer Reihe von generischen Nickel-Aluminium-Legierungen gemessen werden. Die Stähle werden in Zusammenarbeit mit CORUS Research Development & Technology (NL) und SANDVIK Materials Technology (SE), die Kupfer-Legierung mit den Wieland-Metallwerken Ulm untersucht. Die Messungen an den Nickel-Aluminium-Legierungen haben verschiedene Aspekte. Zum einen ist Nickel-Aluminium relevant für die intermetallischen Nickel-Aluminium-Legierungen, die von wachsendem technologischem Interesse sind. Zum anderen bildet Nickel-Aluminium einen prinzipiellen Bestandteil der komplexeren Nickel-Basis-Superlegierungen. Aus den Ergebnissen der konzentrationsabhängigen Messungen von Oberflächenspannung und Viskosität werden Resultate erwartet, die es erlauben, mit weiteren Messungen diese Eigenschaften für die gesamte Klasse der Nickel-Basis-Superlegierungen einer zuverlässigen thermodynamischen Modellierung zugänglich zu machen, die dann vom industriellen Anwender der neu gewonnenen Daten genutzt werden kann.

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Hans-Jörg Fecht, Dr. Rainer K. Wunderlich
Universität Ulm


Untersuchung des Erstarrungsgefüges einer Niob-haltigen Titanium-Aluminium-Basislegierung unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit

Intermetallische Titanium-Aluminium-Basislegierungen mit erhöhten Niob-Gehalten werden gegenwärtig wegen ihrer interessanten mechanischen Eigenschaften für den Einsatz in Turbinenschaufeln bewertet. So zeichnen sich beispielsweise ausgewählte Legierungen aus dem System Titanium-Aluminium-Niob-Kohlenstoff durch besonders termo-elastische Eigenschaften sowie durch ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit aus. Die Herstellungsroute entsprechender Bauteile startet zumeist mit einer schmelzmetallurgischen Vermischung der Legierung; geeignete Umformungs- und Nachbearbeitungsschritte schließen sich daran an.

Problematisch bei der Herstellung der Legierungen ist die Erzeugung einer gleichmäßigen Zusammensetzung über den gesamten Schmelzblock sowie das Erzielen eines homogenen Gussgefüges. Besonders kritisch wirken sich hier die Ausbildung von Niob-reichen Phasen während der Erstarrung aus. Diese Phasenausscheidungen können auf Seigerungsmechanismen zurückgeführt werden, die aufgrund von Dichteunterschieden der einzelnen Komponenten entstehen.

Der Einfluss solcher Dichteunterschiede kann wettgemacht werden, wenn die Schmelze unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit erstarrt. Die geplanten Versuche sehen vor, eine Reihe von Legierungsproben unter Schwerelosigkeit zu erzeugen. Die sich einstellenden Gefüge werden im Anschluss mittels Metallografie, Rasterelektronen-Mikroskopie sowie Transmissionselektronen-Mikroskopie untersucht und charakterisiert. Aus den Ergebnissen sollen Schlussfolgerungen auf optimale, großtechnisch realisierbare Erstarrungsprozesse gezogen werden.

Ansprechpartner:

Dr. Volker Güther, Dr. Andreas Otto
GfE Metalle und Materialien GmbH


 


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Experimente 2004 (http://www.dlr.de/rd/desktopdefault.aspx/tabid-2285/3423_read-5136/usetemplate-print/)