Physik und Materialwissenschaften unter Schwerelosigkeit

Forschen unter Weltraumbedingungen – für die Raumfahrt und das Leben auf der Erde

Forschung in Schwerelosigkeit (oder eigentlich genauer „Mikrogravitation“) ermöglicht materialwissenschaftliche oder physikalische Experimente, die unter Schwerkraft nicht oder nur eingeschränkt funktionieren würden.

Das sind beispielsweise:

  • Experimente, in denen die Schwerkraft oder daraus folgende Transportprozesse die Experimentbedingungen stören bzw. andere Transportprozesse überlagern, wie bei Modell-Experimenten zur Erdatmosphäre
  • Experimente, in denen physikalische Zustände länger stabil sind als unter dem störenden Einfluss der Schwerkraft, wie beispielsweise bei Bose-Einstein-Kondensaten
  • Experimente, in denen Vorgänge nachgestellt werden, die bereits in Schwerelosigkeit stattfinden, wie beispielsweise Entstehung von Planeten
  • Messungen von Eigenschaften an geschmolzenen Metallen und Legierungen, die durch elektromagnetische Felder in der Schwebe gehalten werden und so ohne Wechselwirkung mit einem Tiegel untersucht werden können

Die Fragestellungen reichen von physikalischer Grundlagenforschung, wie beispielsweise die Überprüfung der allgemeinen Relativitätstheorie, über anwendungsorientierte Grundlagenforschung bis zu angewandter Materialforschung, beispielsweise der Züchtung von Halbleiterkristallen.

Zudem werden Prozesse unter Schwerelosigkeit oder verringerter Schwerkraft untersucht, um sie besser zu verstehen. Diese Erkenntnisse können dann in der astronautischen Raumfahrt genutzt werden. Einige Beispiele sind

  • Verbrennungsprozesse für die Feuersicherheit auf Raumstationen sowie Mond und Mars
  • Experimente und Simulationen zur In-Orbit-Betankung von Raumfahrzeugen/Satelliten mit kryogenen Flüssigkeiten
  • Elektrolyseverfahren unter Schwerelosigkeit
  • Extraktionsverfahren für seltene Erden
  • Additive Fertigung (3D-Druck)
  • In-situ-Verarbeitung und Nutzung von Rohstoffen auf anderen Himmelskörpern

Die Bedingungen für den Einsatz auf Raketen, Satelliten oder Raumstationen stellen sehr hohe Anforderungen an die eingesetzten Komponenten, u.a. mit Hinblick auf Robustheit, Kompaktheit, Masse und Energiebedarf. Insbesondere grundlagenorientierte Quantenforschungsprojekte und Quantentechnologie-Erprobungen haben sich in den letzten Jahren als Treiber für die Entwicklung von Schlüsselkomponenten wie Lasern, Atomchips und Frequenzkämmen erwiesen. Diese können im Weltraum in optischen Weltraumuhren, Quantensensoren für Grundlagenforschung, Satellitennavigation, Erdbeobachtung oder Quantenkommunikation eingesetzt werden.

Abhörsichere (Quanten-)Kommunikation und Quanten-Inertialsensoren für satellitenunabhängige Navigation sind Beispiele dafür, dass Technologieentwicklungen für den Weltraum unser Leben auf der Erde sicherer machen können. Sowohl Grundlagenexperimente als auch Technologie-Erprobungen unter Weltraumbedingungen tragen dazu bei, neue (sicherheitsrelevante) Anwendungen für den Weltraum und die Erde zu entwickeln.

Neue Experimente finden u.a. über Ausschreibungen („Announcement of Opportunity“) der europäischen Raumfahrtagentur ESA und über internationale Kooperationen mit anderen Raumfahrtagenturen Eingang ins Förderprogramm.

Falls Sie uns Ihre Experimentidee für materialwissenschaftlich-physikalische Forschung unter Schwerelosigkeit oder reduzierter Schwerkraft vorstellen wollen, nehmen Sie gerne Kontakt mit uns auf!

Experimente

AtmoFlow – Die Erdatmosphäre verstehen

Was passiert in der Erdatmosphäre? Wie wird sie durch die globale Erderwärmung beeinflusst? Wie können wir unsere Atmosphäre besser verstehen? Diese und weitere Fragen sollen mit Hilfe von Experimenten beantwortet werden, die im Projekt AtmoFlow (Atmospheric Fluid Flow Experiment in Space) entwickelt werden.

Optische Atomuhren im Weltall

Optische Atomuhren gehören zu den präzisesten je gebauten Messinstrumenten. Präzise Uhren sind essenziell für die moderne Zeitmessung – unter anderem für Navigation, Telekommunikation oder die Industrie, beispielsweise zur Synchronisation von Prozessen in automatisierten Produktionsanlagen. Zudem sind sie ein wichtiges Instrument für die Grundlagenforschung zu unserem physikalischen Weltbild.

BECCAL – Gravitation verstehen und Relativitätstheorie überprüfen

Die Experiment-Anlage BECCAL (Bose-Einstein Condensate and Cold Atom Laboratory) ist eine Apparatur für die Forschung an und mit ultrakalten Atomen und Bose-Einstein-Kondensaten (BECs), die derzeit für den Einsatz auf der Internationalen Raumstation (ISS) entwickelt wird.

EML und TEMPUS: Metalle in Schwerelosigkeit schmelzen

In den Experimentanlagen EML (Elektromagnetischer Levitator) auf der ISS und TEMPUS (Tiegelfreies elektromagnetisches Positionieren unter Schwerelosigkeit) auf den Parabelflügen der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR werden im Schwebezustand Metalle und Halbleiter berührungslos geschmolzen und untersucht.

Feuersicherheit in Raumfahrzeugen und Raumstationen

Feuersicherheit ist in der astronautischen Raumfahrt von großer Bedeutung. Um die astronautische Raumfahrt sicherer zu machen, wird in einer Experimentreihe untersucht, wie Materialien unter Bedingungen brennen, die auf Raumstationen herrschen.

GraSCha – Granular Sound Characterization: Experimentanlage zur Messung des Schalltransports in Granulaten

Granulare Medien wie Sand, Getreide oder Kies werden weltweit im großen Maßstab verarbeitet. Gerade in industriellen Prozessen ist es wichtig, ihre Eigenschaften genau zu kennen, um ihr Verhalten voraussagen zu können.

Laplace – Wie entstehen aus Staub Planeten?

Wie entstehen Planeten? Dieser Frage wird im Forschungsprojekt „Laplace“ nachgegangen. Es ist nach dem französischen Mathematiker Pierre-Simon Laplace benannt. Er beschrieb den Vorgang der Planetenentstehung bereits im Jahre 1796.

Sauerstoff für Weltraummissionen aus CO2 herstellen: Experimente LiMo und COLA Zero

Wollen wir Menschen auf Raumfahrtmissionen zu Mond und Mars schicken, müssen wir dafür sorgen, dass sie ausreichend Sauerstoff für diese Mission haben. Sauerstoff einfach nur zu speichern reicht für lange Missionen nicht aus. Er muss im Raumfahrzeug oder auf einer Basis auf dem Mond oder dem Mars hergestellt werden.

Kontakt

Fachgruppe Physik und Materialwissenschaft

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Deutsche Raumfahrtagentur im DLR
Forschung und Exploration
Königswinterer Straße 522-524, 53227 Bonn