6. Dezember 2019
PK-4 Science Meeting 2019

For­schungs­se­rie auf der ISS: Fünf Jah­re Plas­ma­kris­tall-La­bor PK-4

Die Internationale Raumstation ISS
Die In­ter­na­tio­na­le Raum­sta­ti­on ISS
Bild 1/6, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Die Internationale Raumstation ISS

Die In­ter­na­tio­na­le Raum­sta­ti­on ISS fliegt in über 400 Ki­lo­me­tern Hö­he und mit ei­ner Ge­schwin­dig­keit von 28.000 Ki­lo­me­tern in der Stun­de. Das eu­ro­päi­sche For­schungs­mo­dul Co­lum­bus wird von Ober­pfaf­fen­ho­fen aus ge­steu­ert: das Co­lum­bus-Kon­troll­zen­trum be­fin­det sich im Deut­schen Raum­fahrt­kon­troll­zen­trum des DLR.
Plasmakristall-Labor PK-4
PK-4 – ei­ne Ne­on­röh­re als Ver­suchs­re­ak­tor
Bild 2/6, Credit: MPE .

PK-4 – eine Neonröhre als Versuchsreaktor

Die ISS-Ex­pe­ri­ment­an­la­ge „PK-4“ kann kom­ple­xe Plas­ma­kris­tal­le mit­tels ei­ner Gleich­strom-Ent­la­dung mit et­wa 800 Volt in ei­ner mit ei­nem Edel­gas ge­füll­ten Glas­röh­re ent­ste­hen las­sen – im Prin­zip ei­ne Ne­on­röh­re als Ver­suchs­re­ak­tor.
PK-4 Meeting: Gruppenbild
PK-4 Mee­ting am DLR in Ober­pfaf­fen­ho­fen
Bild 3/6, Credit: DLR

PK-4 Meeting am DLR in Oberpfaffenhofen

Am 5. und 6. De­zem­ber 2019 fand das all­jähr­li­che PK-4 Mee­ting am DLR in Ober­pfaf­fen­ho­fen statt. Die rund 60 Wis­sen­schaft­ler ka­men aus al­ler Welt zu­sam­men, um sich über die wis­sen­schaft­li­chen Er­geb­nis­se des Plas­ma­kris­tall-La­bors PK-4 aus­zu­tau­schen und neue Ent­wick­lun­gen zu dis­ku­tie­ren.
Plasmakristall: Wellenstruktur
Plas­ma­kris­tall-Ex­pe­ri­ment: Wel­len­för­mi­ge Teil­chen­ver­tei­lung
Bild 4/6, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Plasmakristall-Experiment: Wellenförmige Teilchenverteilung

Wel­len in ei­nem flüs­si­gen kom­ple­xen Plas­ma kön­nen in PK-4 auf Teil­che­ne­be­ne be­ob­ach­tet und un­ter­sucht wer­den.
PK-4: Kosmonaut Alexander Skvorzow
An Bord der ISS: PK-4 Ex­pe­ri­men­trei­he mit Kos­mo­naut Alex­an­der Skvor­zow
Bild 5/6, Credit: ESA/ROSKOSMOS

An Bord der ISS: PK-4 Experimentreihe mit Kosmonaut Alexander Skvorzow

Kos­mo­naut Alex­an­der Skvor­zow führ­te vom 10.-16. No­vem­ber 2019 ver­schie­de­ne Ex­pe­ri­men­te für die Plas­ma­for­scher des DLR-In­sti­tut für Ma­te­ri­al­phy­sik im Welt­raum durch. Das Plas­ma­kris­tall-La­bor PK-4 ist an Bord der In­ter­na­tio­na­len Raum­sta­ti­on im EPM-Rack (Eu­ro­pean Phy­sio­lo­gy Mo­du­le) des eu­ro­päi­schen Co­lum­bus-Mo­dul un­ter­ge­bracht.
Co­lum­bus-Mo­dul: La­bor bei Nacht
Bild 6/6, Credit: NASA/ESA.

Columbus-Modul: Labor bei Nacht

Im eu­ro­päi­schen Welt­raum­la­bor auf der ISS kön­nen bis zu drei Astro­nau­ten auf 25 Ku­bik­me­tern an wis­sen­schaft­li­chen Ex­pe­ri­men­ten ar­bei­ten. Im In­ne­ren ist Co­lum­bus mit 16 Ex­pe­ri­men­tier-Re­ga­len, so­ge­nann­ten Racks aus­ge­stat­tet, in de­nen ähn­lich wie bei Ein­bau­schrän­ken La­bo­raus­rüs­tung, Com­pu­ter und tech­ni­sche Sys­te­me un­ter­ge­bracht sind. Sie kön­nen Ver­such­sein­rich­tun­gen von bis zu 700 Ki­lo­gramm Mas­se auf­neh­men und bei Be­darf aus­ge­tauscht oder er­setzt wer­den. Drei wei­te­re Racks die­nen als Stau­raum und für die Un­ter­brin­gung der In­fra­struk­tur, vor­nehm­lich für die Strom­ver­sor­gung, Da­ten­ver­tei­lung und Was­ser­pum­pen so­wie das Kli­ma- und Feuer­un­ter­drückungs­sys­tem.

Dreidimensionale komplexe Plasmen im Weltraum standen am 5. und 6. Dezember 2019 im Mittelpunkt des "PK-4 Meetings" des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen. Die 60 Teilnehmerinnen und Teilnehmer tauschten sich über die wissenschaftlichen Ergebnisse des Plasmakristall-Labors PK-4 aus, das sich seit fünf Jahren an Bord der Internationalen Raumstation ISS befindet und von der OHB Systems AG betreut wird. Zuletzt wurde im November eine Experimentreihe mit Unterstützung des russischen Kosmonauten Alexander Skvorzow durchgeführt. Die Bilanz nach der achten Mission des Plasmalabors fiel durchweg positiv aus.

"Auch nach fünf Jahren erhalten wir neue Erkenntnisse. Denn PK-4 erlaubt als vielfältiges Labor einer großen Nutzergemeinschaft sehr breite Forschungsmöglichkeiten, die noch lange nicht ausgeschöpft sind", erklärt Dr. Hubertus Thomas, der die DLR-For­schungs­grup­pe Kom­ple­xe Plas­men des DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum leitet und auf deutscher Seite die wissenschaftliche Arbeit mit PK-4 führt. "Erste Erkenntnisse über den Erfolg der Experimente können wir anhand des Live-Datenstroms erhalten, der uns während der Durchführung im Kontrollzentrum in Toulouse zur Verfügung steht."

PK-4 ist seit 2001 das dritte Plasmalabor, mit dem auf der ISS geforscht wird. Die experimentelle Hardware wurde von der OHB Systems AG mit den Forschern konzipiert und umgesetzt. "Auch beim achten Einsatz hat sich unser Plasmalabor bewährt", sagt Roland Seurig, Projektleiter PK-4 bei der OHB-System AG. "Ein Highlight ist immer wieder die enge Zusammenarbeit zwischen Kosmonauten auf der Raumstation und den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern im Kontrollraum, damit die besten Ergebnisse erzielt werden."

Erkenntnisse vielfältig einsetzbar

Plasma ist neben fest, flüssig und gasförmig der vierte Aggregatzustand von Materie. Plasmen sind geladene, also elektrisch leitende Gase. Im All befindet sich mehr als 99 Prozent der sichtbaren Materie, etwa Sterne und Gaswolken, in diesem Aggregatzustand. Hier auf der Erde kommen Plasmen als Blitze vor, aber auch als künstlich hergestellte Materie in Leuchtstoffröhren oder Plasmafernsehern. Komplexe Plasmen sind aus Ionen, Elektronen, Neutralgas und Mikropartikeln zusammengesetzte Plasmen. Die elektrostatische Wechselwirkung der stark negativ aufgeladenen Mikropartikel zeigt eine Fülle interessanter Phänomene auf. Am DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum ist die physikalische Forschung unter Schwerelosigkeit eines der Hauptthemen.

"Wir möchten durch die Forschungsarbeit an komplexen Plasmen neue Erkenntnisse über die Physik kondensierter Materie und für verschiedene astrophysikalische Fragestellungen erlangen. Als Modellsysteme können komplexe Plasmen in der Kristallografie, der Physik von Flüssigkeiten und Gasen oder in der Nanotechnologie genutzt werden", erklärt Thomas. "Darüber hinaus kann das gewonnene technologische Know-how auch den Weg für künftige Anwendungen der Plasmatechnologie in der Mikrochip-Produktion oder im medizinischen Bereich ebnen."

Forschungsstandort ISS

In der Schwerelosigkeit können sich die Mikropartikel ungehindert im Raum ausbreiten und bilden geordnete dreidimensionale Kristallstrukturen. Die Internationale Raumstation bietet daher ideale Bedingungen für die Plasmaforschung. Hier können die Wissenschaftler systematisch untersuchen, wie sich Mikropartikel in komplexen Plasmen verhalten. Dabei geht es um Selbstorganisationseffekte wie Ketten- und Linienbildung, Entmischung, Wirbelbildung und Synchronisation.

PK-4 wurde speziell für den Einsatz auf der ISS ausgelegt und ist im EPM-Rack (European Physiology Module) des europäischen Forschungsmoduls Columbus untergebracht. Über die EPM-Bodeninfrastruktur wird sichergestellt, dass die Experimente vom Boden aus steuerbar sind und die Wissenschaftler mit den Daten versorgt werden. Für die Systemaufgaben des Plasmalabors ist OHB im Auftrag der ESA zuständig und stellt Stromversorgung, Kommunikation und Datenaufzeichnung während der Experimente sicher.

Die Plasmakristall-Experimente zählen zu den erfolgreichsten Forschungsprojekten auf der ISS seit ihrem Programmbeginn 2001. Bis dato konnten die Wissenschaftler ihre Erkenntnisse bereits in mehr als 100 Publikationen zusammenfassen – und die Datenauswertungen der bereits geführten Experimente sind noch lange nicht abgeschlossen. Weiterhin ist der Betrieb der Internationalen Raumstation bis 2028 gesichert, wie aus dem aktuellen Beschluss der Ministerratskonferenz der ESA-Mitgliedstaaten Ende November hervorgegangen ist. So können die Plasmaforscher den einzigartigen Forschungsstandort für neue Experimentreihen nutzen – zur Erweiterung des Grundlagenwissens in der Physik und der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten für das Leben auf der Erde.

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)

    Kom­mu­ni­ka­ti­on und Pres­se
    Telefon: +49 8153 28-2251
    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
    Linder Höhe
    51147 Köln
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