25. Mai 2021
DLR-Forschungsrakete MAPHEUS-11

Fünfein­halb Mi­nu­ten Schwe­re­lo­sig­keit für Ex­pe­ri­men­te

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Raumfahrt
MAPHEUS-11 auf der Startrampe
MA­PHEUS-11 auf der Star­tram­pe
Bild 1/4, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

MAPHEUS-11 auf der Startrampe

Die Ra­ke­te star­te­te vom Ra­ke­ten­start­platz ES­RAN­GE (Eu­ro­pean Space and So­un­ding Rocket Ran­ge) im Nor­den Schwe­dens.
Start der DLR-Höhenforschungsrakete MAPHEUS-11
Start der DLR-Hö­hen­for­schungs­ra­ke­te MA­PHEUS-11
Bild 2/4, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Start der DLR-Höhenforschungsrakete MAPHEUS-11

Die Ra­ke­te star­te­te am 24. Mai 2021 um 7:35 MESZ und er­reich­te da­bei ei­ne ma­xi­ma­le Flug­hö­he von 221 Ki­lo­me­tern.
Bergung per Helikopter
Ber­gung per He­li­ko­pter
Bild 3/4, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Bergung per Helikopter

Die Nutz­last samt Ex­pe­ri­men­ten wur­de nach der Lan­dung mit Hil­fe ei­nes He­li­ko­pters ge­bor­gen.
Geborgene Nutzlast der Mapheus-11
Ge­bor­ge­ne Nutz­last der Ma­pheus-11
Bild 4/4, Credit: DLR/Thomas Schleuß CC-BY 3.0

Geborgene Nutzlast der Mapheus-11

Nach der Tren­nung vom Boos­ter flog die Nutz­last ei­ne Hö­hen­pa­ra­bel, in der die Ex­pe­ri­men­te für et­wa fünfein­halb Mi­nu­ten in der Schwe­re­lo­sig­keit durch­ge­führt wer­den konn­ten.
  • Die Höhenforschungsrakete des DLR MAPHEUS-11 startete erfolgreich um 7:35 Uhr (MESZ) und erreichte eine Höhe von 221 Kilometern.
  • An Bord befanden sich die materialwissenschaftlichen Experimente MARS, X-RISE und SOMEX.
  • In der Schwerelosigkeit konnte unter anderem die Anwendung eines pulverförmigen 3D-Druckverfahrens erfolgreich getestet werden.
  • Schwerpunkt: Raumfahrt
DLR-Höhenforschungsrakete MAPHEUS-11
DLR-Höhenforschungsrakete MAPHEUS-11
Das MAPHEUS-Höhenforschungsprogramm (Materialphysikalische Experimente unter Schwerelosigkeit) wird bereits seit 12 Jahren jährlich durch die Abteilung Mobile Raketenbasis (MORABA) des DLR vorbereitet und durchgeführt. Das Programm ermöglicht den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern einen unabhängigen und regelmäßigen Zugang zu Experimenten in Schwerelosigkeit.

Am 24. Mai haben sich drei Experimente des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) auf ihre kurze Reise in die Schwerelosigkeit und wieder zurück gemacht. Vom Raketenstartplatz ESRANGE (European Space and Sounding Rocket Range) im Norden Schwedens brachte die DLR-Höhenforschungsrakete MAPHEUS-11 die materialwissenschaftlichen Experimente MARS, X-RISE und SOMEX bis auf eine Höhe von 221 Kilometern. In der knappen Viertelstunde zwischen Start und Landung vollführte die Nutzlast nach dem Abtrennen der Booster eine Höhenparabel. Diese ermöglichte fünfeinhalb Minuten Schwerelosigkeit, um die Experimente durchzuführen. Nach dem Flug wurden die Experimente per Helikopter geborgen. Am Boden verfolgte ein Team des DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum die Aktion gespannt und mit gedrückten Daumen. Denn in jedem der drei Experimente steckt neben wissenschaftlicher Erkenntnis mindestens genauso viel Herzblut.

MARS: Wie funktioniert metallbasierter 3D-Druck im Weltraum?

Beim 3D-Druck – in der Fachwelt auch als additive Fertigung bezeichnet – wird pulverförmiges Material Schicht für Schicht aufgetragen bis ein dreidimensionales Bauteil entsteht. Im Gegensatz zu konventionellen Verfahren, bei denen zum Beispiel ein Teil aus einem Block herausgefräst wird, hat der 3D-Druck einige Vorteile: Er ist flexibel und schnell, es lassen sich sehr komplexe Formen realisieren und es fallen wenig Materialreste an. „Diese Vorteile machen additive Fertigungsverfahren auch für Raumfahrtanwendungen in reduzierter Schwerkraft, etwa auf dem Mond oder Mars, interessant oder in Schwerelosigkeit während eines Raumflugs“, erklärt Prof. Andreas Meyer, Direktor des DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum. Die wenigen Minuten Experimentierzeit während des Flugs, haben ausgereicht, um ein erstes kleines Bauteil zu drucken.

„Das Experiment MARS ist eine Premiere auf diesem Gebiet. Wir schaffen die Grundlagen, damit später Weltraummissionen größere Teile herstellen können. In Zukunft könnte man die benötigten Strukturen erst vor Ort im All fertigen, zum Beispiel auf Orbitalplattformen, und so den Transportaufwand von der Erde in den Weltraum erheblich senken“, beschreibt Andreas Meyer weiter. Im Fokus des Experiments MARS (Metallbasierte Additive Fertigung für Raumfahrt- und Schwerelosigkeitsanwendungen) stehen spezielle Metalllegierungen. Aus ihnen lassen sich Bauteile mit sehr vorteilhaften Eigenschaften herstellen. Dazu zählen vor allem sehr hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Für den Flug auf MAPHEUS-11 hat das DLR-Institut basierend auf einem neuen Verfahren der Bundesanstalt für Materialforschung- und -prüfung (BAM) eine kompakte Raketennutzlast entwickelt. Diese führte den additiven Fertigungsprozess in der Schwerelosigkeit während des Flugs vollautomatisiert durch.

X-RISE: Diffusion in flüssigen Metalllegierungen besser verstehen

Mit Hilfe des Experiments X-RISE (X-Ray Investigation in Space Environment) wollen die DLR-Forschenden dieses Mal die grundlegenden Prozesse des atomaren Transports, der Diffusion, in metallischen Flüssigkeiten verstehen. Zwei miniaturisierte (Scherzellen-)Öfen schmelzen dazu Aluminium-Germanium- und Aluminium-Indium-Legierungen auf. Eine spezielle Röntgenanlage nimmt dann während des Diffusionsprozesses Bilder in Echtzeit auf. Mit Hilfe dieser Aufnahmen können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Bewegung der Atome in den flüssigen Metallen untersuchen.

„Diffusion ist ein wichtiger Parameter für viele Vorgänge in der Materialwissenschaft, unter anderem beim Berechnen von Bauteilen. Auf der Erde stören oft schwerkraftgetriebene Strömungen die Experimente zur Diffusion. In der Schwerelosigkeit bekommen wir dagegen ein unverfälschteres Bild der Vorgänge“, erklärt Institutsdirektor Meyer. Das Experiment X-RISE war bereits zum fünften Mal auf MAPHEUS im Einsatz.

Vorherige Experimente untersuchten unter anderem das Erstarrungsverhaltens metallischer Legierungen, die Mikrostrukturbildung und das strauchartige (dendritische) Wachstums von Kristallstrukturen in Aluminium-Germanium. „Mit Experimenten in X-RISE können wir die Diffusion in Flüssigkeiten verstehen, Modelle für die Erstarrung von Legierungen bestätigen und die Ergebnisse unserer Laborexperimente auf der Erde überprüfen“, fasst Andreas Meyer zusammen. Diese Ergebnisse können unter anderem dazu beitragen, industrielle Gussprozesse zu optimieren.

SOMEX: Universelles Lichtstreulabor für die Untersuchung weicher Materie

Mit SOMEX (SOft Matter EXperiments) hat das DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum eine universelle Plattform entwickelt, um weiche Materie in Schwerelosigkeit zu untersuchen. Unter weicher Materie versteht man zwei Phasen-Systeme, die sich zwischen den Aggregatzuständen fest und flüssig befinden. Mit SOMEX ist es dem DLR-Team erstmals gelungen, einen Experimentaufbau zu realisieren, der trotz seines kleinen Volumens viel Platz und die Möglichkeit bietet, Experimente mit einer ganzen Reihe an optischen Methoden zu untersuchen. Das SOMEX-Modul ist druckdicht und für mehrere Flüge ins All ausgelegt. Zudem können die teilweise sehr empfindlichen Proben mittels des eigens entworfenen Schnellverschlusses einfach und bis kurz vor Start ins Modul integriert werden.

Im ersten Flug auf MAPHEUS-11 kamen statische und dynamische Lichtstreuung, sowie differenzielle dynamische Mikroskopie zum Einsatz. Ein Epifloureszenz-Mikroskop ist in Entwicklung. Damit eröffnet SOMEX breite Anwendungsmöglichkeiten.

Auf dem erfolgreichen SOMEX-Erstflug, konnten Experimente zum grundlegenden Verständnis der Streuphysik granularer Materie durchgeführt werden. Außerdem wurde die Dynamik in einem Modellsystem für selbstangetriebene Mikroschwimmer untersucht. „Im Erdlabor verfälschen Auftriebs- und Sedimentationseffekte die Ergebnisse stark. Im Vergleich mit theoretischen Vorhersagen ermöglichen die SOMEX-Experimente in beiden Fällen neue Erkenntnisse über die Struktur und Dynamik solcher Systeme“, freut sich der Physiker Prof. Meyer.

Über MAPHEUS

Das MAPHEUS-Höhenforschungsprogramm (Materialphysikalische Experimente unter Schwerelosigkeit) wird bereits seit 12 Jahren durchgeführt. Der jährliche Flug, vorbereitet und durchgeführt durch die Abteilung Mobile Raketenbasis (MORABA) des DLR, ermöglicht den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern einen unabhängigen und regelmäßigen Zugang zu Experimenten in Schwerelosigkeit. Dabei gehen in diesem Programm Fortschritte in Bereich der Messtechnik und die Realisierung hochentwickelter Flughardware Hand in Hand mit richtungsweisenden Experimenten zum Beispiel im Bereich der Material- und Lebenswissenschaften.

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