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, Credit: 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, Credit: 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, Credit: 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, Credit: 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, Credit: 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
    Fax: +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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