3. Februar 2022
Forschung in Schwerelosigkeit

Mat­thi­as Mau­rer tes­tet Be­ton auf der In­ter­na­tio­na­len Raum­sta­ti­on ISS

Matthias Maurer bei der Durchführung des Experiments
Mat­thi­as Mau­rer bei der Durch­füh­rung des Ex­pe­ri­ments
Bild 1/4, Credit: ESA / NASA

Matthias Maurer bei der Durchführung des Experiments

Mat­thi­as Mau­rer bei der Durch­füh­rung des Ex­pe­ri­ments
Zum Schutz vor Verunreinigung der Raumstation wird das Experiment in einer Handschuhkiste /Glove Box durchgeführt
Zum Schutz vor Ver­un­rei­ni­gung der Raum­sta­ti­on wird das Ex­pe­ri­ment in ei­ner Hand­schuh­kis­te /Glove Box durch­ge­führt
Bild 2/4, Credit: ESA / NASA

Zum Schutz vor Verunreinigung der Raumstation wird das Experiment in einer Handschuhkiste /Glove Box durchgeführt

Zum Schutz vor Ver­un­rei­ni­gung der Raum­sta­ti­on wird das Ex­pe­ri­ment in ei­ner Hand­schuh­kis­te /Glove Box durch­ge­führt
Betonmischer auf der ISS
So sieht ein Be­ton­mi­scher auf der ISS aus
Bild 3/4, Credit: Julian Müller, Universität Duisburg-Essen.

So sieht ein Betonmischer auf der ISS aus

Um Ver­un­rei­ni­gun­gen auf der Raum­sta­ti­on vor­zu­beu­gen, wer­den die Pro­ben in spe­zi­el­len Misch­be­häl­tern ma­nu­ell an­ge­rührt
Probe der ausgehärteten Betonmischung im Labor
Pro­be der aus­ge­här­te­ten Be­ton­mi­schung im La­bor
Bild 4/4, Credit: Julian Müller, Universität Duisburg-Essen.

Probe der ausgehärteten Betonmischung im Labor

Für die Fes­tig­keit von Be­ton ist das Aus­här­ten des Ma­te­ri­als ent­schei­dend. Der Pro­zess des Aus­här­tens ent­schei­det über die An­ord­nung der Be­stand­tei­le im In­ne­ren des Be­tons so­wie über die Ver­tei­lung von ein­ge­schlos­se­nen Luft­bla­sen
  • Matthias Maurer erforscht Aushärtung von Beton in der Schwerelosigkeit.
  • Klimaschutz durch effizienteren Einsatz von Rohstoffen.
  • Experimente im All liefern Daten für technische Entwicklungen auf der Erde.
  • Kooperation DLR mit den Universitäten zu Köln und Duisburg-Essen.
  • Das Experiment ist Teil der Mission Cosmic Kiss.
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Internationale Raumstation ISS, Materialwissenschaft, Klimaschutz, Baustoff, Beton

Wie verhält sich frisch gegossener Beton in der Schwerelosigkeit? Und wie kann dies zum Umweltschutz auf der Erde beitragen? Der deutsche ESA-Astronaut Matthias Maurer hat Anfang Februar 2022 auf der Internationalen Raumstation ISS Antworten auf diese Fragen gesucht. Das Experiment „MASON / Concrete Hardening“ ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), der Universität zu Köln und der Universität Duisburg-Essen und findet im Rahmen der Mission „Cosmic Kiss“ statt.

Der weltweite Kohlenstoffdioxid (CO₂) -Ausstoß beträgt rund 38 Gigatonnen (38.000.000.000 Tonnen). Davon entstehen allein drei Gigatonnen bei der Herstellung von Zement. Zement wiederum ist der wesentliche Bestandteil von Beton, dem derzeit wichtigsten Baumaterial. Gelingt es, die Verwendung von Beton durch moderne Verfahren zu optimieren, leistet dies einen Beitrag zur Verbesserung der Klimabilanz.

"Das Material Beton ist der Menschheit seit tausenden Jahren bekannt und hält doch immer noch Rätsel für uns bereit. Einen Teil dieser Fragen wollen wir mit Matthias Maurer auf der ISS klären“, sagt Prof. Matthias Sperl vom DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum.

Video: MASON/Concrete Hardening - Beton im All erforschen, Emissionen auf der Erde verringern
Beton ist einer der wichtigsten Baustoffe auf der Erde. Seine Prozesskette reicht von der Förderung von Sand und der Herstellung von Zement bis zum Vergießen des flüssigen Betons. Angesichts der großen Mengen an Beton, die weltweit jährlich hergestellt werden, haben schon einzelne Schritte oft eine...

Warum wird Beton auf der ISS erforscht?

Beton ist kein Werkstoff, den man mit der Raumfahrt in Verbindung bringt. Doch eröffnet die Raumfahrt an Bord der ISS durch die dauerhafte Schwerelosigkeit Einblicke in das Verhalten von Materialien, die in irdischen Laboren nur sehr begrenzt möglich sind.

Für die Festigkeit von Beton ist neben dem Mischverhältnis und Verstärkungen (Armierung) das Aushärten des Materials entscheidend. Der Prozess des Aushärtens entscheidet über die Anordnung der Bestandteile im Inneren des Betons sowie über die Verteilung von eingeschlossenen Luftblasen.

Die Aushärtung wird auf der Erde stark von der Gravitation beeinflusst. Für die Materialforschung ist es daher von großem Interesse zu untersuchen, wie sich diese Mischung aus versintertem Kalk und Ton plus Sand und Wasser ohne diesen Einfluss verhält. Dadurch lassen sich chemische und physikalische Prozesse besser verstehen. Diese Erkenntnisse können für optimierte Mischverhältnisse verwendet werden, die schließlich wertvolle Ressourcen einsparen.

Der Erstarrungs- und Trocknungsprozess des Betons kann Wochen und Monate dauern. Aus diesem Grund ist die Forschung auf der Internationalen Raumstation ISS so wichtig, denn nur hier herrschen dauerhaft die gleichen Bedingungen von Null-Gravitation (G).

Die bei den Experimenten von Matthias Maurer gewonnenen Daten liefern auch die Basis und Referenzwerte für weitere Untersuchungen in irdischen Laboren. Hier wird für kürzere Zeit eine künstliche Schwerelosigkeit in sogenannten „Klinostaten“ erzeugt.

„Wenn es uns gelingt, die Schwerelosigkeit zu simulieren, könnte zukünftig zusätzlich eine Vielzahl von Versuchen schneller, einfacher und kostengünstiger durchgeführt werden“, erklärt Prof. Martina Schnellenbach-Held vom Institut für Massivbau (IfM) der Universität Duisburg-Essen. Sie und ihr Team haben das Experiment möglich gemacht: Mit der Entwicklung eines speziellen Betonmischers, der die strengen Sicherheitsvorkehrungen für die ISS erfüllt. Dieser ist gerade einmal so groß wie eine Hand – der Beton wird manuell gemischt.

Wie baut man auf Mond und Mars?

„MASON“ (Materialforschung in Schwerelosigkeit an Beton) hat trotz der irdischen Anwendungen eine kosmische Komponente. Wenn die Menschheit ihre Pläne zum Aufbau einer permanenten Präsenz auf dem Mond oder dem Mars realisiert, müssen die Stationen aus solidem Material gebaut sein. Dies dient in erster Linie dem Schutz vor Kleinstmeteoriten und der kosmischen Strahlung.

Die für Bauprojekte auf der Erde angewandten Formeln zur Berechnung der Statik von Gebäuden gehen immer von der Erdanziehungskraft von 1 G aus. Auf dem Mond ist die Gravitation allerdings um ein Sechstel geringer und es ist nicht gesichert, dass eine simple Umrechnung zu einem stabilen Bauwerk führen würde. Daher sind die im Rahmen von MASON gewonnen Daten im wahrsten Wortsinn ein wichtiger Baustein.

Auf Mond und Mars stehen wesentliche Bestandteile von Beton nicht zur Verfügung, daher untersucht Astronaut Maurer auch Proben, die aus künstlich hergestelltem Mondstaub bestehen.

Beteiligungen

Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR fördert mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) die wissenschaftliche Arbeit an der Universität zu Köln und der Universität Duisburg Essen.

Kontakt
  • Michel Winand
    Kom­mu­ni­ka­ti­on Köln, Bonn, Jü­lich, Aa­chen, Rhein­bach und Sankt Au­gus­tin
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)

    Kom­mu­ni­ka­ti­on und Pres­se
    Telefon: +49 2203 601-2144
    Linder Höhe
    51147 Köln
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  • Prof. Matthias Sperl
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
    In­sti­tut für Ma­te­ri­al­phy­sik im Welt­raum
    Linder Höhe
    51147 Köln
    Kontaktieren
  • Jennifer Meina
    Uni­ver­si­tät Duis­burg-Es­sen

    Hoch­schul­ma­na­ge­ment und Kom­mu­ni­ka­ti­on
    Telefon: +49 203 379-1205
    Forsthausweg 2
    47057 Duisburg
    Kontaktieren
  • Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martina Schnnellenbach-Held
    Uni­ver­si­tät Duis­burg-Es­sen

    In­sti­tut für Mas­siv­bau
    Telefon: +49 201 183-2767
    Forsthausweg 2
    47057 Duisburg
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