MAPHEUS-14 wurde im Januar 2024 von Esrange in Nordschweden gestartet. Über 14 Experimente an Bord wurden auf über 260 Kilometer Höhe gebracht und hatten damit gute sechs Minuten Zeit in Schwerelosigkeit, um wissenschaftliche Erkenntnisse in den unterschiedlichsten Bereichen zu sichern: von der Erforschung neuronaler Aktivitäten unter Raumflugbedingungen, über IT-Sicherheit bei der Datenübertragung aus dem erdnahen Weltraum, bis hin zur Untersuchung von Diffusionsprozessen in metallischen Schmelzen mit Röntgenradiographie.
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SSC
ATLAS Diffusionsexperiment für Orbitalträger
Blick auf die ATLAS-Nutzlast zur Untersuchung von Diffusion und Thermodiffusion in metallischen Schmelzen.
Diese Nutzlast wurde für einen Orbitalträger konzipiert und bietet Platz für mehrere unabhängige Experimente in Hochtemperatur-Diffusionsöfen, mit jeweils einer Leistung von 215 Watt. Auch wenn die Öfen drei Stunden mit einer Temperatur von 1000 Grad Celsius aufgeheizt sind, bleibt die Hüllentemperatur von ATLAS unter 40 Grad Celsius.
In der Abteilung Wissenschaftliches Raumfahrtengineering werden Experimente zur Untersuchung physikalischer Phänomene in Schwerelosigkeit entwickelt, gefertigt und mit digitalen Methoden begleitet. Unser zentrales „fliegendes Labor“ für Experimente und Technologieerprobung unter Raumflugbedingungen ist die Höhenforschungsrakete MAPHEUS. Daneben bedienen wir auch alle anderen Plattformen für Materialforschung in Schwerelosigkeit - von Fallturm und Parabelflug bis zu Orbitalträgern. Ein wichtiges Anwendungsgebiet sind weiche und aktive Materialien sowie komplexe Fluide mit biologisch relevanten Aspekten, bei denen Veränderungen der Schwerkraftbedingungen die Materialprozesse wesentlich beeinflussen. Wir verbinden die Forschung an weicher Materie mit experimentellen und digitalen Methoden im Hinblick auf das Verhalten in Schwerelosigkeit.
Materialforschung unter Weltraumbedingungen
Die Schwerkraft prägt zahlreiche physikalische Prozesse, aber auch unsere Intuition bei der Gestaltung von Prozessen. Empirisch gefundene Zusammenhänge lassen sich deshalb oft nur schwer in eine Umgebung extrapolieren, in der die Schwerkraft verändert ist oder ganz fehlt - wie etwa auf Missionen im Weltall, auf dem Mond oder dem Mars. Experimentelle Plattformen, die sich im freien Fall befinden, erlauben Forschung unter Schwerelosigkeit, und damit wichtige Untersuchungen zu Materialeigenschaften, grundlegenden Mechanismen auf kleinen wie großen Skalen, und zu Prozessabläufen durchzuführen.
Weiche und aktive Materie sind eine Materialklasse, die unseren Alltag durchdringt - so gehören die meisten komplexen Fluide aus Küche und Bad, aber auch Biofilme oder Zellkulturen dazu. Sie sind durch komplexe Strukturen auf Mikrometer-Skala geprägt, und Anregungen durch thermische Energie spielen eine große Rolle. Weiche Materie ist „weich“, weil sie bereits durch geringe mechanische Kräfte verformt wird; dies führt zu einer faszinierenden Vielfalt im Fließverhalten und zu prozessabhängigen Materialeigenschaften, die im Forschungsfeld der Rheologie untersucht wird. Aktive Materie zeichnet sich zudem durch Mechanismen aus, mit denen sich die mikroskopisch kleinen Bausteine weicher Materie gezielt steuern lassen, etwa für Materialien, die sich gezielt an veränderte Umgebungsbedingungen anpassen und sich so funktionalisieren und programmieren lassen, um neue Materialien gerade für den Einsatz im Weltraum zu erforschen.
Forschungsfokus und Einsatzgebiete
Die Höhenforschungsrakete MAPHEUS ist ein wichtiger Baustein unserer Forschung unter Weltraumbedingungen. Die harschen Anforderungen eines Raketenflugs - hohe Startbeschleunigung, Vibrationen, kleiner Bauraum, begrenzter Energievorrat und andere - stellen eine besondere Herausforderung dar für den Bau von Experimentmodulen auf solchen Raketen. Im Scientific Space Engineering bieten wir die Expertise für die Realisierung von Experimenten aus den verschiedensten Bereichen der Materialforschung und Physik für Schwerelosigkeitsplattformen wie MAPHEUS, und darüber hinaus wie zum Beispiel für Orbitalplattformen.
Design und Entwicklung zusammen mit Forschung aus einer Hand - das ist das Konzept von MAPHEUS. Dazu realisieren wir mit den DLR-Projektpartnern regelmäßige Flugkampagnen in Nordschweden mit ca. einem Raketenstart pro Jahr auf eine Höhe von über 260 Kilometern. Dies erlaubt zahlreichen Experimenten eine Zeit in Schwerelosigkeit von über 6 Minuten pro Flug. Die Forschung aus MAPHEUS kommt aus dem Institut, dem DLR, und von unseren Partnern aus den Universitäten weltweit und der Industrie, mit denen zusammen wir die Flughardware entwickeln und mit unserer Werkstatt bauen. Mit MOSAIC, unserer integrierten Plattform für Experimente im CubeSat-Größenformat verfolgen wir einen NewSpace-Ansatz zur schnellen Umsetzung für viele Flugexperimente.
NAUTILUS Experimentträger
Druckdichte Behälter ("nautili") für Raketenexperimente im CubeSat-Format.
Mit Hilfe dieses modularen Systems und dem passenden Trägermodul MOSAIC können Flugexperimente einfach und schnell umgesetzt werden.
Die Werkstatt des Instituts ist die leistungsfähige und flexible Schnittstelle zwischen den wissenschaftlichen Mitarbeitern und dem Engineering-Team. Mit einem spezialisierten Team aus Fachkräften, einer flexiblen an sich wandelnde Anforderungen der Wissenschaft angepassten Arbeitsweise, und einem vielseitigen Maschinenpark – von konventionellen Dreh- und Fräsmaschinen bis zu hochmodernen CNC-Technologien wie eine 3-Achs- und eine 5-Achs-Fräsmaschine in Kombination mit CAD-CAM-Programmen – ermöglicht sie eine effiziente und präzise komplexe Prototypenfertigung für anspruchsvolle Einsätze.
Digitale und KI-basierte Methoden, von der Molekulardynamik-Simulation bis zu Finite-Elemente-Modellen und numerischer statistischer Physik, wie auch zur Steuerung autarker Raketenexperimente oder Messdatenerfassung und -analyse aus den Experimenten, gehören integral zu unserem Forschungsprogramm. Wir komplementieren die Materialforschung des Instituts mit Themen, die speziell auf die Forschungsmöglichkeiten rund um MAPHEUS ausgerichtet sind: die Erforschung komplexer Fluide und weicher Materie, die uns erlauben, materialphysikalische Aspekte der Schwerkrafteinflüsse auf lebende Systeme unter Raumflugbedingungen zu verstehen, als Brücke zwischen den Material- und Lebenswissenschaften.
Kernkompetenzen
Entwicklung und Bau von Experimenten für µg-Plattformen
Experimente auf der MAPHEUS Höhenforschungsrakete
Miniaturisierung, Digitalisierung und Automatisierung von Experimentabläufen
Werkstatt mit CNC-Maschinen als flexible Schnittstelle zwischen Science und Engineering
Numerische und experimentelle Untersuchungen weicher Materie in Schwerelosigkeit
Digitale Methoden für Rheologie weicher Materie mit prozessabhängigen Materialeigenschaften, KI-basierte Teilchensimulationen
