11. November 2019

Völlig losgelöst: Plasmakristall-Forschung auf der ISS

PK-4: Kosmonaut Alexander Skvorzow
Kosmonaut Alexander Skvorzow beim PK-4 Experiment auf der ISS
Bild 1/5, Quelle: ESA/ROSKOSMOS

Kosmonaut Alexander Skvorzow beim PK-4 Experiment auf der ISS

Für die PK-4-Experimentreihe vom 10.-16. November 2019 ist der erfahrene Kosmonaut Alexander Skvorzow im Einsatz. Das Plasmakristall-Labor PK-4 wird vom DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum betrieben und befindet sich im Columbus-Modul der Internationalen Raumstation ISS.

ISS und Columbus-Labor vor der unbeleuchteten Erde
ISS und Columbus-Labor vor der unbeleuchteten Erde
Bild 2/5, Quelle: ESA/NASA.

ISS und Columbus-Labor vor der unbeleuchteten Erde

Die Internationale Raumstation ISS schwebt über der Nachtseite Erde. In blau erscheint am rechten Bildrand der beleuchtete Teil der Erde. In der Bildmitte ist das europäische Columbus-Labor, als hell glänzende Tonne zu erkennen, das im Februar 2008 an der ISS montiert wurde.

PK-4 Experiment: Teilchenverteilung in der Plasmakammer
PK-4 Experiment: Teilchenverteilung in der Plasmakammer
Bild 3/5, Quelle: DLR (CC-BY 3.0)

PK-4 Experiment: Teilchenverteilung in der Plasmakammer

Originalbild einer String-Flüssigkeit von der 7. Kampagne mit PK-4 auf der Internationalen Raumstation im Juli 2019. Das Bild links zeigt ein Orginalbild der Mikroteilchenverteilung in der Plasmakammer auf der ISS. Hierbei wird eine Ebene mit einem Laserschnitt beleuchtet. Das Bild rechts zeigt eine Verteilung senkrecht dazu, erzeugt aus der Bewegung des Laserschnittes über die ganze Teilchenwolke hinweg (Tomografie).

PK-4: Plasmakristall-Struktur
PK-4 Auswertung: Kristalline Struktur von Plasma
Bild 4/5, Quelle: DLR (CC-BY 3.0)

PK-4 Auswertung: Kristalline Struktur von Plasma

Auswertung der dreidimensionalen Verteilungsfunktion von der 7. Kampagne mit PK-4 auf der Internationalen Raumstation im Juli 2019. Der Strukturfaktor zeigt deutlich die wabenförmige und deshalb kristalline Strukur der gesamten Teilchenwolke auf.

Plasmakristall-Labor PK-4
Das Plasmakristall-Labor PK-4
Bild 5/5, Quelle: MPE.

Das Plasmakristall-Labor PK-4

Mit dem Plasmakristall-Labor PK-4 sollen physikalische Grundlagen komplexer, dreidimensionaler Plasmen erforscht werden.

  • Plasmaforschung auf der ISS: Neue Experimentreihe vom 10. bis 16. November 2019 wird von Kosmonaut Alexander Skvorzow durchgeführt
  • Lehrbuchwissen der Zukunft: Plasmakristall-Labor PK-4 gibt Einblicke in grundlegende physikalische Prozesse
  • Plasma ist ionisiertes Gas und gilt neben fest, flüssig und gasförmig als vierter Aggregatszustand der Materie. Komplexe Plasmen entstehen, wenn neben neutralem Gas auch Staubteilchen enthalten sind.

Auf der Internationalen Raumstation ISS sind die Plasmateilchen los: vom 10. bis 16. November 2019 führt der russische Kosmonaut Alexander Skvorzow eine neue Experimentreihe mit dem Plasmakristall-Labor PK-4 durch. Unter der Leitung von Wissenschaftlern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zeichnet Skvorzow auf, wie Mikroteilchen schwerelos durch ein Neonplasma tanzen, Strukturen bilden und dadurch Einblicke in grundlegende physikalische Prozesse geben.

Gespannt verfolgen die Wissenschaftler vom Kontrollzentrum CADMOS in Toulouse, Frankreich aus den Ablauf. Die wichtigste Aufgabe des Kosmonauten ist es, die Messung im richtigen Augenblick zu starten, d.h. die Mikroteilchen durch das ionisierte Gas zu schicken und den Reigen der „komplexen Plasmen“ auf dem Bildschirm einzufangen. Praktische Erfahrung bringt Skvorzow bereits mit, der zurzeit seinen dritten Langzeitaufenthalt auf der ISS absolviert. Während seiner ersten Mission 2010 hatte er Plasmakristall-Experimente mit dem Vorgänger-Labor PK-3 Plus durchgeführt, hier in deutsch-russischer Kooperation. Das aktuelle Labor PK-4 ist im europäischen Columbus-Modul der Internationalen Raumstation installiert und bietet als Multi-Purpose-Multi-User-Facility vielfältige Möglichkeiten für die Plasmaforschung unter Schwerelosigkeit.

Hauptziel der DLR-Forschungsgruppe Komplexe Plasmendes DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum ist es, Lehrbuchwissen der Zukunft zu erzeugen. Die Plasmakristall-Experimente offenbaren als Modellsystem die Dynamik von Flüssigkeiten und Festkörpern. Diese Grundlagenforschung ist auch für das Verständnis von komplexem Plasma wichtig, das als ein eigener Aggregatszustand der weichen Materie entdeckt wurde – mithilfe von Weltraumexperimenten. Darüber hinaus gibt es auch natürliche komplexe Plasmen, sogenannte „staubige Plasmen“. Sie treten in der Natur auf, beispielsweise als Blitze in Vulkaneruptionen, und können künstlich im Labor hergestellt werden. Dies schafft Grundlagenwissen, das für Fusionsplasmen und nicht zuletzt auch für Explorationen zum Mond oder Mars Bedeutung haben kann.

Die physikalische Forschung unter Schwerelosigkeit ist eines der Hauptthemen am DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum in Köln. Dazu führt das Institut unterschiedliche Experimente zur Materialforschung in Metallen und Legierungen und im Bereich der weichen Materie in Kolloidphysik, Granularen Medien und den komplexen Plasmen durch – auf Parabelflügen, dem Fallturm, auf Raketen und an Bord der ISS. Die Aktivitäten werden auf der Erde durch experimentelle und theoretische Forschungsarbeiten sowie numerische Simulationen begleitet. Mit mehr als 100 wissenschaftlichen Veröffentlichungen zählen die Plasmakristall-Experimente seit ihrem Progammbeginn 2001 zu den erfolgreichsten Forschungsarbeiten auf der Internationalen Raumstation.

Über das Projekt

Das Plasmakristall-Labor PK-4 ist eine Kooperation der europäischen Weltraumorganisation ESA - European Space Agency und der russischen Raumfahrtbehörde ROSKOSMOS, mit wissenschaftlicher Führung der Gruppe Komplexe Plasmen des DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum (ehemals am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, MPE) und der russischen Akademie der Wissenschaften (Joint Institute for High Temperatures, JIHT). Die experimentelle Hardware ist eine Eigenentwicklung der Gruppe während ihrer Zeit am MPE und der OHB System AG (ehemals Kayser Threde). PK-4 wird durch ESA und ROSKOSMOS finanziert. Zusätzliche Finanzierung des Projektes in Deutschland erfolgte durch das Raumfahrtmanagement des DLR und der Max-Planck-Gesellschaft.

Kontakt
  • Bernadette Jung
    Kommunikation Oberpfaffenhofen, Weilheim, Augsburg
    Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

    Politikbeziehungen und Kommunikation
    Telefon: +49 8153 28-2251
    Telefax: +49 8153 28-1243
    Münchener Straße  20
    82234 Weßling
    Kontaktieren
  • Dr. Hubertus Thomas
    Leiter Forschungsgruppe Komplexe Plasmen
    Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
    Institut für Materialphysik im Weltraum
    Telefon: +49 8153 28-1915
    Linder Höhe
    51147  Köln
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