9. März 2018
Die 31. DLR-Parabelflugkampagne in Bordeaux endet nach zwei Wochen erfolgreich

CI­MON, Ster­nen­ge­bur­ten und das Ge­heim­nis der Plas­ma­kris­tal­le

Das Ex­pe­ri­ment IN­KA
Bild 1/4, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Das Experiment INKA

Wie ent­ste­hen Ster­ne? Die­ser Fra­ge gin­gen Wis­sen­schaft­ler der Fa­kul­tät für Phy­sik an der Uni­ver­si­tät Duis­burg-Es­sen mit ih­rem Ex­pe­ri­ment IN­KA (In­sta­bi­le pro­to­pla­ne­ta­re Kör­per im Nie­der­druck Wind­ka­nal, vor­ne) bei der 31. DLR-Pa­ra­bel­flug­kam­pa­gne nach. Auf der Er­de wan­dern Sand­dü­nen, in­dem der Wind Par­ti­kel an der ei­nen Sei­te ab­trägt, die durch Gra­vi­ta­ti­on aber auf der Wind­schat­ten­sei­te wie­der ab­la­gert wer­den. Doch was wür­de oh­ne die Schwer­kraft pas­sie­ren? Die Dü­ne wür­de sich ein­fach in ei­ne Wol­ke aus Sand­kör­nern auf­lö­sen. Wäh­rend der Ent­ste­hung von Pla­ne­ten sind ähn­li­che Si­tua­tio­nen denk­bar, in de­nen nur lo­se ge­bun­de­ne Par­ti­kel von Sand­korn­grö­ße ei­nen ki­lo­me­ter-großen Kör­per mit nur we­nig Ei­gen­gra­vi­ta­ti­on, ein so ge­nann­tes Pla­ne­te­si­mal, bil­den. Um zu er­for­schen, un­ter wel­chen Be­din­gun­gen sol­che Kör­per sta­bil sind, be­ob­ach­ten die Wis­sen­schaft­ler ei­ne Pro­be aus Par­ti­keln von ei­nem Mil­li­me­ter Durch­mes­ser in ei­nem Nie­der­druck-Wind­ka­nal, bei dem Druck und Wind­ge­schwin­dig­keit va­ri­iert wer­den kön­nen. Gleich­zei­tig be­fin­det sich der Wind­ka­nal auf ei­ner Zen­tri­fu­ge, um so ver­schie­de­ne Ei­gen­gra­vi­ta­tio­nen (Pla­ne­te­si­mal­grö­ßen) zu si­mu­lie­ren.
Er­for­schung von kom­ple­xen Plas­men
Bild 2/4, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Erforschung von komplexen Plasmen

Kom­ple­xe Plas­men sind elek­trisch lei­ten­de Ga­se – ähn­lich, wie sie in Leucht­stoff­röh­ren ver­wen­det wer­den - in die „Staub­teil­chen“, so ge­nann­te Mi­kro­par­ti­kel, ein­ge­bracht wer­den. Bei ih­rem Pa­ra­bel­flug­ex­pe­ri­ment (vor­ne im Bild) be­ab­sich­tig­ten die Wis­sen­schaft­ler der Jus­tus-Lie­big-Uni­ver­si­tät Gie­ßen, Ei­gen­schaf­ten der flüs­si­gen Pha­se in kom­ple­xen Plas­men, die so­ge­nann­te Elek­trorheo­lo­gie, zu er­for­schen. Ne­ben die­ser Grund­la­gen­for­schung sind kom­ple­xe Plas­men auch idea­le Mo­dell­sys­te­me für an­de­re Be­rei­che, wie et­wa die Kris­tal­lo­gra­phie, die Phy­sik und Tech­nik von Flüs­sig­kei­ten und Ga­sen so­wie die Na­no­tech­no­lo­gie. Be­reits seit 2014 be­fin­det sich ein „Dop­pel­gän­ger“ der Ex­pe­ri­ment­an­la­ge, PK-4 auf der ISS, um län­ger­fris­ti­ge For­schung un­ter Schwe­re­lo­sig­keit zu er­mög­li­chen.
Mes­sung der Durch­blu­tung im mensch­li­chen Kör­per
Bild 3/4, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Messung der Durchblutung im menschlichen Körper

Die so ge­nann­te Mi­kro­zir­ku­la­ti­on be­zeich­net die Durch­blu­tung der kleins­ten Ge­fäße im mensch­li­chen Kör­per. Sie hat ei­ne große Be­deu­tung für den mensch­li­chen Or­ga­nis­mus als wich­ti­ges Blut­re­ser­voir und be­ein­flusst den Blut­druck, för­dert den Wär­me­aus­tausch und trans­por­tiert Sau­er­stoff und le­bens­wich­ti­ge Nähr­stof­fe zu den Zel­len. For­scher des Uni­ver­si­täts­kli­ni­kums Düs­sel­dorf ha­ben im Pa­ra­bel­flug die Ver­än­de­rung der Mi­kro­zir­ku­la­ti­on in der Schwe­re­lo­sig­keit mit ei­nem spe­zi­el­len, Smart­pho­ne-großen Hand-Mi­kro­skop un­ter­sucht, das un­ter der Zun­ge misst.
TEM­PUS-An­la­ge beim Pa­ra­bel­flug
Bild 4/4, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

TEMPUS-Anlage beim Parabelflug

Auch die TEM­PUS-An­la­ge des DLR für die Er­for­schung von Schmel­zen in Schwe­re­lo­sig­keit hat ei­nen Zwil­ling auf der ISS. In den TEM­PUS-Ex­pe­ri­men­ten kön­nen die­se Flüs­sig­kei­ten auf ein­zig­ar­ti­ge Wei­se un­ter­sucht wer­den: Me­tal­le und Le­gie­run­gen wer­den durch ein elek­tri­sches Feld frei schwe­bend po­si­tio­niert und auf­ge­schmol­zen. Die Schmel­zen wer­den so nicht durch den Kon­takt mit ei­nem an­de­ren Ma­te­ri­al, et­wa ei­nes Schmelz­tie­gels, kon­ta­mi­niert. Da wäh­rend des Ex­pe­ri­ments kei­ne Gra­vi­ta­ti­on herrscht, fal­len au­ßer­dem die stö­ren­den Strö­mun­gen in der Schmel­ze weg, die un­ter nor­ma­ler Erd­schwer­kraft auf­tre­ten. Bei der 31. DLR- Pa­ra­bel­flug­kam­pa­gne kam ei­ne neue Wär­me­bild­ka­me­ra zum Ein­satz. Da­mit kön­nen auch Me­tal­le un­ter­sucht wer­den, die bei nied­ri­gen Tem­pe­ra­tu­ren schmel­zen.

  • An der 31. Parabelflugkampagne des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) nahmen zwölf Experimente aus Humanphysiologie, Biologie, Physik, Technologieerprobung und Materialwissenschaften teil.
  • Unter den Experimenten waren Untersuchungen zur Entstehung von Sternen, zur Plasmaphysik, zum Verhalten von Schmelzen in Schwerelosigkeit und zur Durchblutung im menschlichen Körper.
  • Die Parabelflugkampagne fand vom 26. Februar bis zum 9. März 2018 in Bordeaux statt.
  • Schwerpunkt: Raumfahrt

Am 9. März 2018 endete die 31. Pa­ra­bel­flug­sei­te des DLR Raum­fahrt­ma­na­ge­ments des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) erfolgreich: Zwölf Experimente aus Humanphysiologie, Biologie, Physik, Technologieerprobung und Materialwissenschaften befanden sich an Bord des A310 ZERO-G. Es ging unter anderem um Untersuchungen zur Entstehung von Sternen, zur Plasmaphysik, zum Verhalten von Schmelzen in Schwerelosigkeit und zur Durchblutung im menschlichen Körper. Die Kampagne fand in Bordeaux statt, dem Sitz der Firma Novespace, welche die Flugkampagnen im Auftrag des DLR Raumfahrtmanagements durchführt. "Auch nach 18 Jahren Forschung auf Parabelflügen bleibt es bei den Experimenten spannend, da viele Teilnehmer mit ihren Fragestellungen wissenschaftliches oder technologisches Neuland betreten", sagt Dr. Katrin Stang, Programmleiterin der DLR-Parabelflüge.

CIMON - ein Astronauten-Assistenzsystem für die ISS

An Bord der aktuellen Parabelflugkampagne war auch das zukünftige Astronauten-Assistenzsystem CIMON, das auf der Internationalen Raumstation ISS eingesetzt werden soll. CIMON ist mobil, mit einer künstlichen Intelligenz ausgestattet und soll die Astronauten bei Alltagsaufgaben unterstützen und entlasten. Ziel des Parabelflugtests war, grundlegende Eigenschaften von CIMON in Schwerelosigkeit zu überprüfen. Dabei wurden insbesondere die Orientierung im Raum sowie Navigation und Lenkung getestet, um für den Einsatz auf der ISS - in permanenter Schwerelosigkeit - optimal vorbereitet zu sein. Dr. Christian Karrasch, CIMON-Projektleiter im DLR Raumfahrtmanagement, war selbst an Bord und ist zufrieden mit dem Parabelfug: "CIMON hat gezeigt, dass er in Schwerelosigkeit sicher manövrieren kann und hat alle Tests mit Bravour bestanden - wir freuen uns sehr auf seinen ersten Einsatz auf der Raumstation."

Die Geburt von Sternen im Parabelflug-Experiment

Wie entstehen Sterne? Dieser Frage ging das Experiment INKA (Instabile protoplanetare Körper im Niederdruck Windkanal) von Wissenschaftlern der Fakultät für Physik an der Universität Duisburg-Essen nach. Sanddünen wandern, indem der Wind Partikel an der einen Seite abträgt, die durch Gravitation aber auf der Windschattenseite wieder ablagert werden. Doch was würde ohne die Schwerkraft passieren? Die Düne würde sich einfach in eine Wolke aus Sandkörnern auflösen.

Während der Entstehung von Planeten sind ähnliche Situationen denkbar, in denen nur lose gebundene Partikel von Sandkorngröße einen kilometer-großen Körper mit nur wenig Eigengravitation, ein so genanntes Planetesimal, bilden. Um zu erforschen, unter welchen Bedingungen solche Körper stabil sind, beobachten die Wissenschaftler eine Probe aus Partikeln von einem Millimeter Durchmesser in einem Niederdruck-Windkanal, bei dem Druck und Windgeschwindigkeit variiert werden können. Gleichzeitig befindet sich der Windkanal auf einer Zentrifuge, um so verschiedene Eigengravitationen (Planetesimalgrößen) zu simulieren.

Plasmakristalle - ein Phänomen, das nur in Schwerelosigkeit auftritt

Komplexe Plasmen sind elektrisch leitende Gase - ähnlich, wie sie in Leuchtstoffröhren verwendet werden - in die "Staubteilchen", so genannte Mikropartikel, eingebracht werden. Die Mikropartikel mit einem Durchmesser von bis zu zehn Mikrometern laden sich in einer Plasmakammer durch Elektronenanlagerung stark negativ auf und werden durch elektrische Felder zum Schweben gebracht. Infolge dieser Aufladung ist die elektrostatische Wechselwirkung zwischen den Mikropartikeln sehr stark, so dass neue, wissenschaftlich interessante Phänomene auftreten können wie zum Beispiel die Bildung eines Plasmakristalls: eine reguläre Anordnung der Mikropartikel im Plasma.

Beim Parabelflugexperiment beabsichtigten die Wissenschaftler der Justus-Liebig-Universität Gießen, Eigenschaften der flüssigen Phase in komplexen Plasmen, die sogenannte Elektrorheologie, zu erforschen. Neben dieser Grundlagenforschung sind komplexe Plasmen auch ideale Modellsysteme für andere Bereiche, wie etwa die Kristallographie, die Physik und Technik von Flüssigkeiten und Gasen sowie die Nanotechnologie. Bereits seit 2014 befindet sich ein "Doppelgänger" der Experimentanlage, PK-4 auf der ISS, um längerfristige Forschung unter Schwerelosigkeit zu ermöglichen.

Neues Materialdesign durch einzigartige Forschungsmöglichkeiten

So wie die PK-4 hat auch die TEMPUS-Anlage des DLR für die Erforschung von Schmelzen in Schwerelosigkeit einen Zwilling auf der ISS. In den TEMPUS-Experimenten können diese Flüssigkeiten auf einzigartige Weise untersucht werden: Metalle und Legierungen werden durch ein elektrisches Feld frei schwebend positioniert und aufgeschmolzen. Die Schmelzen werden so nicht durch den Kontakt mit einem anderen Material, etwa eines Schmelztiegels, kontaminiert. Da während des Experiments keine Gravitation herrscht, fallen außerdem die störenden Strömungen in der Schmelze weg, die unter normaler Erdschwerkraft auftreten.

Im Fokus der Messungen der Wissenschaftler vom DLR und verschiedener Universitäten standen dabei neue Erkenntnisse über die thermophysikalischen Eigenschaften der Stoffe wie Dichte, Viskosität, elektrische Leitfähigkeit und thermische Ausdehnung. Das ist die Grundlage für Modellberechnungen von technischen Prozessen für ein neues Materialdesign. Bei der 31. DLR- Parabelflugkampagne kam eine neue Wärmebildkamera zum Einsatz. "Die Wärmebildkamera hat es uns zum ersten Mal erlaubt, TEMPUS-Proben bei Temperaturen unter 600 Grad Celsius zu beobachten", erklärt Dr. Julianna Schmitz vom Kölner DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum. "Hierdurch erweitern sich unsere Forschungsmöglichkeiten, wir können nun auch Metalle untersuchen, die bei niedrigen Temperaturen schmelzen. Wir sind sehr zufrieden mit den Ergebnissen."

Die Mikrozirkulation des Menschen in Schwerelosigkeit

Die so genannte Mikrozirkulation bezeichnet die Durchblutung der kleinsten Gefäße im menschlichen Körper. Sie hat eine große Bedeutung für den menschlichen Organismus als wichtiges Blutreservoir und beeinflusst den Blutdruck, fördert den Wärmeaustausch und transportiert Sauerstoff und lebenswichtige Nährstoffe zu den Zellen. Forscher des Universitätsklinikums Düsseldorf haben im Parabelflug die Veränderung der Mikrozirkulation in der Schwerelosigkeit mit einem speziellen, Smartphone-großen Hand-Mikroskop untersucht, das unter der Zunge misst. Die Erkenntnisse aus dem Parabelflug könnten helfen, neue diagnostische Möglichkeiten zu entwickeln, um zukünftig Personen mit erhöhtem Risiko für Kreislaufstörungen zu identifizieren und so Kreislaufstörungen frühzeitig vorbeugen. Hierdurch könnte beispielsweise auch die Flugsicherheit von Astronauten und Jetpiloten deutlich verbessert werden.

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