Forschungsraketen-Kampagne des DLR - TEXUS 41



Flugbahn der MAXUS- und TEXUS-Forschungsraketen. Bild: EADS Astrium
Start: 2. Dezember 2004 vom Startplatz bei Kiruna, Nordschweden

Im Auftrag des DLR startete die TEXUS-41-Forschungsrakete vom Startplatz ESRANGE bei Kiruna in Nordschweden. An Bord der Forschungsrakete TEXUS 41 befanden sich vier wissenschaftliche Experimente aus den Bereichen Biologie und Materialwissenschaft:

ARTEX-Plus - Ofenanlage zur Untersuchung des Einflusses von Strömungen auf das Erstarrungsverhalten von technischen Aluminium-Gusslegierungen
DLR, Institut für Raumsimulation, Köln-Porz, Prof. Dr. Lorenz Ratke; Sonja Steinbach

Schmelzen und Erstarren von metallischen Legierungen stehen am Beginn wichtiger Fertigungsverfahren, beispielsweise im Maschinenbau, im Bauwesen, in der Elektrotechnik und in der Elektronik. Der Prozess der Erstarrung liefert den Ausgang für die Bildung des inneren Werkstoffaufbaus. Dieser legt die Werkstoffeigenschaften fest.

Erstarrungsvorgänge sind in erster Linie einstellbar durch verschiedene Prozessgrößen, wie etwa der Abkühl- und Erstarrungsgeschwindigkeit. Durch genaue Kontrolle der Prozessgrößen lässt sich ein gewünschtes Gefüge einstellen, das die Werkstoffeigenschaften bestimmt. Ein einfacher und überschaubarer Vorgang ist die Technik der gerichteten Erstarrung, die nicht nur eine moderne Technologie zur Herstellung von Bauteilen mit gerichtetem Gefüge (beispielsweise in Turbinenschaufeln) ist, sondern auch ein ideales Hilfsmittel zur Untersuchung des Erstarrungsverhaltens von Legierungen.

Irdische Giessprozesse werden immer durch natürliche Strömungen beeinflusst. Im Rahmen des Experimentes auf TEXUS 41 ist die Analyse des Einflusses von Strömungen auf das Erstarrungsverhalten von technischen Aluminium-Gusslegierungen mit Hilfe der neu entwickelten Anlage ARTEX-Plus geplant. In ihr werden Schmelzeströmungen unter Schwerelosigkeit erzeugt, die durch ein rotierendes Magnetfeld kontrolliert werden. Basis der ARTEX-Plus Anlage ist die vorhandene ARTEX Anlage, die bei ihrem ersten Einsatz 2001 auf TEXUS 39 ihre Funktionsfähigkeit unter Schwerelosigkeit unter Beweis stellte. Zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfeldes und damit wohl definierter Strömungen in der Schmelze wurde die Anlage um ein Spulensystem erweitert.

Das Besondere an ARTEX-Plus im Vergleich zu herkömmlichen Öfen oder Kristallzuchtanlagen ist die Verwendung von so genannten Aerogelen als Tiegelmaterial für die Proben. Aerogele sind transparente, nahezu perfekt wärmeisolierende Festkörper. Sie reagieren nicht mit metallischen Schmelzen. Ihr Festkörperanteil liegt bei nur ein bis zehn Prozent, die restlichen 90-99 Prozent bestehen aus gasgefüllten Poren. Sie können in einem Temperaturbereich bis 900 Grad Celsius eingesetzt werden. Die Proben werden über zwei Heizer an ihren beiden Enden aufgeschmolzen und erstarren kontrolliert. Da die Aerogele transparent sind, kann der Erstarrungsvorgang während des Experimentes mit einer Infrarot-Kamera beobachtet, analysiert und damit auch online überwacht werden.

Ein Vergleich der Gefüge der TEXUS-39-Probe (keine Strömungen) und der TEXUS-41-Probe (erzwungene Strömungen) mit Proben aus Laborexperimenten (natürliche Konvektionen) erlaubt Aussagen, welchen Einfluss rotierende Strömungen
auf die Gefügeausbildung bei der gerichteten Erstarrung und damit auch auf die Eigenschaften des Werkstoffes haben. Damit existiert eine Basis für die Beschreibung der Zusammenhänge zwischen Prozessgrößen und Gefügegrößen auch für irdische industrielle Giessprozesse.

Die Forschungsarbeiten werden in Zusammenarbeit mit Unternehmen der europäischen Gießereiindustrie und Universitäts-Instituten durchgeführt.

Kritische Geschwindigkeiten in offenen Kapillarkanälen
Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM), Universität Bremen, PD Dr.-Ing. Michael Dreyer und Dipl. Phys. Uwe Rosendahl

Ziel des Experimentes ist die Untersuchung einer Strömung durch einen offenen, engen Kanal, einen so genannten Kapillarkanal. Er besteht aus zwei parallelen Platten von 25 Millimetern Breite, die in einem Abstand von zehn Millimetern zueinander angebracht sind. Der Strömungskanal wird mit einer Flüssigkeit gefüllt und durchströmt. Seitlich wird der Kanal nur durch die freien Oberflächen der Flüssigkeit berandet, der Strömungsweg wird durch die Kapillarkraft der freien Oberfläche zusammen gehalten. Die offene Länge des Strömungskanales beträgt zwölf Millimeter, kann aber, ebenso wie die Strömungsgeschwindigkeit, während des Experimentes geändert werden.

Die Aufrechterhaltung einer Strömung durch einen solchen Kanal mit freien Seiten ist nur unter Schwerelosigkeit möglich, da unter Erdschwerkraft die Experimentflüssigkeit (HFE-7500 von 3M) herauslaufen würde. Infolge der Durchströmung des Kanals mit der niedrigviskosen Experimentflüssigkeit entstehen Druckänderungen, die direkt mit der freien Oberfläche in Wechselwirkung stehen. Wird der innere Druck zu klein, kollabiert die freie Oberfläche, und aus der Umgebung wird Gas eingesogen. Ziel der Untersuchung ist die Bestimmung des kritischen Volumenstroms, bis zu dem eine stationäre Durchströmung des Kanals möglich ist. Darüber hinaus wird die Kontur der freien Oberfläche sowie die Strömungsgeschwindigkeit im Kanal vermessen. Die Ergebnisse des Experimentes sind sowohl für die Flüssigkeitshandhabung unter Schwerelosigkeit als auch für grundlegende Fragen der Strömungsmechanik von Bedeutung.

Technologien zur Handhabung von Flüssigkeiten unter Schwerelosigkeit benutzen die Kapillarkräfte zum Fördern und Positionieren, da der Wasserdruck, der auf der Erde für eine eindeutige Lage der Flüssigkeitsoberfläche senkrecht zum Erdbeschleunigungsvektor sorgt, nicht zur Verfügung steht. Die Kapillarkräfte, deren Wirkung auf der Erde auf kleine Abmessungen der Grössenordnung von einigen Millimetern beschränkt ist, können unter Schwerelosigkeit über Entfernungen von Metern die freie Oberfläche beeinflussen. Beispielsweise für Anwendungen in Tanks von Raumfahrzeugen müssen die Grenzen der Flüssigkeitsförderung in offenen Kapillarkanälen bekannt sein, da nur blasenfreier Treibstoff den Triebwerken zugeführt werden darf.

Aus strömungsmechanischer Sicht muss es in einem offenen Kapillarkanal eine feststehende Höchstgeschwindigkeit geben (ähnlich der Schallgeschwindigkeit in Luft), die auch nicht durch Pumpen oder andere Energiezufuhr überschritten werden kann. Um diese Geschwindigkeit und damit den Punkt des Kollabierens der freien Oberfläche bestimmen zu können, muss die freie Oberfläche mit großer Präzision vermessen werden. Zudem sind Daten über die Strömungsgeschwindigkeit an ausgewählten Punkten des Strömungskanals notwendig.

Vor der Mission ist zunächst nur das Flüssigkeitsreservoir gefüllt, der Strömungskanal ist aufgrund der Erdschwerkraft und Beschleunigung der Rakete während der Aufstiegsphase leer. Nach Brennschluss und Erreichen der Schwerelosigkeit werden per Telekommando mehrere Ventile geöffnet und die notwendigen freien Oberflächen im Strömungskanal selbst sowie in einem Ausgleichsrohr mit 60 Millimetern Durchmesser erzeugt. Der Kanal wird zu diesem Zeitpunkt nur mit einer geringen Strömungsgeschwindigkeit (weniger als 50 Prozent des erwarteten kritischen Wertes) durchströmt. Die Strömungsgeschwindigkeit wird dann vom Boden gesteuert in kleinen Schritten erhöht, um den kritischen Wert zu finden, bei dem Gas eingesogen wird.

Während der gesamten Zeit werden Aufnahmen des Experimentes von zwei Kameras zur Bodenstation übermittelt. Ein Kanal wird zusätzlich an Bord digital aufgezeichnet. Anhand der ohne Zeitverlust vorliegenden Bilder entscheiden die Experimentatoren, wie die Strömungsgeschwindigkeit oder die Länge des Kanals geändert werden soll. Per Telekommando werden diese Informationen zur Rakete gesendet und die entsprechenden Befehle ausgeführt. Während der Freiflugphase der Nutzlast von etwa sechs Minuten wird das Experiment somit von Hand durchgeführt. Zusätzlich zu den wissenschaftlichen und technologischen Erkenntnissen stellt der Flug eine Vorbereitung eines ähnlichen, doch komplexeren Experiments für die Internationale Raumstation ISS dar.

Der Einfluss von Schwerelosigkeit auf das Zentrale Nervensystem
Institut für Physiologie, Universität Hohenheim, Prof. Dr. Wolfgang Hanke, Dr. Meike Wiedemann, Alexandra Piffel

In diesem biologischen Projekt werden die grundsätzlichen Eigenschaften des Zentralen Nervensystems (Gehirn) unter Schwerelosigkeit untersucht. Die Experimente sollen zeigen, ob und wie sich die Eigenschaften von zentralnervösem Gewebe unter Schwerelosigkeit ändern. Besonders berücksichtigt werden dabei die Erregbarkeit des Gewebes und die Geschwindigkeit von zentralnervösen Vorgängen. Bei der TEXUS-41-Mission wird speziell der Einfluss von Mikrogravitation auf das Phänomen der "Spreading Depression" (SD) untersucht. Als System dient die Netzhaut der Augen von Hühnern, da die SD-Wellen in diesem System optisch sehr gut zu beobachten sind.

Die SD-Wellen werden durch mechanische Reizung (Stimulation) ausgelöst, die (zweidimensionale) Ausbreitung der SD-Wellen auf der Netzhaut (Retina) wird mit entsprechender Videotechnik beobachtet und aufgezeichnet. Vorangegangene SD-Experimente in Parabelflügen und in der Zentrifuge zeigten bereits, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen deutlich von der Gravitation abhängt (Änderungen bei Mikrogravitation drei bis vier Prozent). Viel dramatischer sind allerdings die gemessenen Änderungen der Latenzzeiten des nervösen Gewebes unter Mikrogravitation (bis zu 50 Prozent), die auf enorm geänderte Erregbarkeiten des Nervengewebes hinweisen. Bei der Latenz handelt es sich um die natürliche Verzögerung zwischen Reiz und Reaktion.

Zur Bestimmung dieser Verzögerung werden SD-Wellen in der Phase der Schwerelosigkeit mechanisch ausgelöst und die Zeit zwischen mechanischem Reiz und Start der Welle gemessen. Bei der TEXUS-Mission soll untersucht werden, ob diese Änderungen abhängig von der Dauer der Schwerelosigkeit sind. Sind die Effekte bei fünf Minuten Schwerelosigkeit noch größer als bei den bisher in Parabelflügen gemessenen 25 Sekunden oder gibt es während dieser Zeit schon eine Anpassung des nervösen Gewebes an die geänderten Bedingungen? Die SD tritt in Zusammenhang mit vielen vorübergehenden krankhaften Störungen, beispielsweise klassischer Migräne sowie krankhaften Störungen bei Schlaganfall und Epilepsie, auf. Aufgrund dieser Zusammenhänge ist die Erforschung der SD unter geänderten Gravitationsbedingungen über die Grundlagenforschung hinaus auch medizinisch von Bedeutung.

Wirkung der Schwerkraft auf die Zellmembran-Bewegung im Pollenschlauch
Universität Hannover, Inst. für Zierpflanzenbau, Abt. Spezielle Ertragsphysiologie, Prof. Dr. G. Scherer Universität Hamburg, Inst. für Allgemeine Botanik, PD Dr. H. Quader

Pflanzen reagieren auf Schwerkraft, indem ihre Hauptachse senkrecht wächst, der Spross oberirdisch entgegengesetzt der Richtung der Schwerkraft, die Hauptwurzel unterirdisch in Richtung der Schwerkraft. Dieses Phänomen nennt man Gravitropismus. Die Sensoren für die Schwerkraftwahrnehmung, hochspezialisierte Zellen, die Statocyten genannt werden, liegen in der Wurzelspitze und um die Leitbündel der Pflanze herum. Eine ähnliche pflanzliche Zelle ist der Pollenschlauch, der dazu dient, sehr schnell und gezielt auf die pflanzliche Eizelle zuzuwachsen, der aber dabei die Schwerkraft gar nicht berücksichtigt. Diese Zelle hat ein außerordentlich kompliziertes internes Zellskelett aus steifen Elementen (Mikrotubuli) und elastischen, fädigen Fasern (Aktinfilamenten).

Diese Aktinfilamente sind mit fast allen anderen Zellelementen (Organellen) verbunden, so dass das Gesamtgewicht dieser Zellelemente an ihnen zieht und sie unter Spannung versetzt. Die Aktinfilamente dienen aber auch dazu, den Membrantransport in der Zelle wie auf einem Förderband zu bewegen. Im TEXUS-41-Experiment wird dieser Membrantransport durch ein fluoreszierendes Lipid, ein Membranbaustein, sichtbar gemacht. Das Lipid wird von außen zugegeben, woraufhin die Zellen es als Baustein ihrer Membranen aufnehmen. Dieser Vorgang wird Endocytose genannt. Die Fluoreszenz lässt sich im Mikroskop beobachten und messen. Da die Pollenschläuche sehr schnell wachsen, haben sie eine hohe Endocytose-Geschwindigkeit. Fällt die Schwerkraft weg, stehen die Aktinfilamente unter weniger Spannung, da das Gewicht wegfällt. Man kann daher die veränderte Endocytose-Geschwindigkeit als erhöhte Fluoreszenz-Aufnahme in Schwerelosigkeit messen.

Das Ergebnis wird zugleich zeigen, ob es bei der Endocytose - und dann vermutlich auch bei der Exocytose (Sekretion), die auf sehr ähnliche Prinzipien beruht - ein Optimum der Schwerkraft für zentrale Lebensprozesse gibt, das zwar mit der Erd-Schwerkraft (1g) übereinstimmen könnte, aber nicht notwendigerweise muss. Da Endocytose sowohl für tierische wie für pflanzliche Zellen Grundprozesse sind, an die Wachstum und Entwicklung untrennbar geknüpft sind, lässt sich daraufhin besser beurteilen, wie lebende Zellen sich möglicherweise durch Nicht-Vorhandensein von Schwerkraft gestört fühlen. Außerdem könnte der aufschlussreiche Fall eintreten, dass es einen von 1g abweichenden Schwerkraft-Wert gibt, bei dem Endocytose und/oder Exocytose schneller ablaufen. Dies sollte zu möglicherweise auch medizinisch relevanten Erkenntnissen über das Pflanzenwachstum im Weltraum als auch über tierische Zellen führen.


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