Plasma-Experimente auf der ISS dank Homeoffice

Seit 20 Jahren im All: die Internationale Raumstation. Die ISS ist ein einzigartiges Labor für Experimente, die in keiner wissenschaftlichen Einrichtung auf der Erde durchgeführt werden können. Deutschland ist über die ESA mit rund 45 Prozent an der Wissenschaft auf der ISS beteiligt.
Seit 20 Jahren im All: die Internationale Raumstation. Die ISS ist ein einzigartiges Labor für Experimente, die in keiner wissenschaftlichen Einrichtung auf der Erde durchgeführt werden können. Deutschland ist über die ESA mit rund 45 Prozent an der Wissenschaft auf der ISS beteiligt.

Das Corona-Virus stört auch die Abläufe der Forscher im All – die Reiseeinschränkungen verhinderten beinahe die Steuerung des Plasmakristall-Labors PK-4 auf der ISS. Nun hat die Forschungsgruppe vom DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum ihre einwöchige Versuchsreihe dennoch erfolgreich abgeschlossen – von Oberpfaffenhofen aus.

Das Plasmakristall-Labor PK-4 ist eine Kooperation der europäischen Weltraumorganisation ESA – European Space Agency und der russischen Raumfahrtbehörde ROSKOSMOS, unter 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).

Glücksfall Oberpfaffenhofen – “Homeoffice” der besonderen Art

Normalerweise wären die Forscher jetzt in Toulouse, da sie nur von dort aus ihr Plasmakristall-Labor PK-4 steuern können, das sich seit 2015 an Bord der Internationalen Raumstation ISS befindet. Die Corona-Pandemie machte die Reise von Oberpfaffenhofen zum CADMOS-Kontrollzentrum nach Frankreich jedoch unmöglich. Die monatelang vorbereiteten Experimente in der Schwerelosigkeit drohten auszufallen. Doch die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) erhielten “naheliegende” Unterstützung: Die Standortkollegen vom Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum stellten ihre Ressourcen zur Verfügung und richteten ein “Homeoffice” der besonderen Art ein.

Dank der speziell eingerichteten IT- und Kommunikationskanäle konnten sie, unter Berücksichtigung sämtlicher COVID-19 Schutzmaßnahmen, die Messungen am Bildschirm mitverfolgen und den Ablauf abstimmen – so, als ob sie im Kontrollraum von Toulouse säßen. Die Experimente an Bord der ISS führte der russische Kosmonaut Anatoli Ivanishin unter Anleitung der Plasmaforscher durch.

“Das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum war ein Glücksfall für uns in Oberpfaffenhofen. Die Kolleginnen und Kollegen haben uns in dieser Ausnahmesituation wunderbar unterstützt und hier erstmals die wissenschaftliche Betreuung übernommen. Wir freuen uns sehr, dass wir per Video- und Tonübertragung durchgehend mit der Experimentsteuerung im Kontrollzentrum von Toulouse und mit Kosmonaut Anatoli Ivanishin auf der ISS verbunden waren”, sagt Dr. Mikhail Pustylnik, PK-4 Projektwissenschaftler in der DLR-Forschungsgruppe Komplexe Plasmen am DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum. Mit dem Betrieb des europäischen Columbus-Moduls betreut das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum bereits die ESA-Experimente auf der ISS und kennt das PK 4-Labor.

Grundlagenforschung über Materie

Plasma ist ionisiertes Gas aus dem rund 99 Prozent der sichtbaren Materie des Weltalls beschaffen ist. Sterne wie die Sonne bestehen aus Plasma. Wenn in dem leitfähigen Gas zusätzlich Staubteilchen oder andere Mikropartikel enthalten sind, werden diese hoch aufgeladen und es entsteht ein “komplexes Plasma”: In der Schwerelosigkeit können sich die Teilchen frei im Raum ausbreiten und bilden geordnete dreidimensionale Kristallstrukturen. Die Teilchen verhalten sich dabei ähnlich wie Atome in einem Festkörper oder einer Flüssigkeit. Die Aufzeichnungen des Plasmakristall-Labors PK-4 machen diese Vorgänge sichtbar. Mit jeder neuen Experimentreihe gewinnt die Plasmaforschung fundamentale Erkenntnisse für das Lehrbuchwissen der Zukunft. Daraus lassen sich vielfältige Anwendungen ableiten, unter anderem Plasmatechnologien für die Mikrochip-Produktion, den medizinischen Bereich oder für künftige Raumfahrtmissionen.

Die aktuellen Strömungsversuche mit PK-4 könnten zum Beispiel dabei helfen, die Ausbreitung von Schockwellen besser zu verstehen. ISS-Besatzungsmitglied und Experimentator Ivanishin heizte die Mikroteilchen mit kurzen elektrische Pulsen auf, um sichtbar zu machen, wie sich die kinetische Energie bei einer Schockwelle ausbreitet und welche Wechselwirkungen auf Teilchenebene stattfinden. Das Einsetzen und Abklingen von turbulenten Strömungen wurde in mehreren Versuchen ergänzend untersucht.

Mithilfe von Laserstrahlen erzeugte das Experimentteam außerdem Scherflüsse in der komplexen Plasma-Flüssigkeit. Die Messungen bauen auf den Ergebnissen der vergangenen Experimentreihe auf und geben Aufschluss über die Zähigkeit von Flüssigkeiten. Neben der Oberflächenspannung gehört diese Viskosität zu den wichtigsten Eigenschaften einer Flüssigkeit. Zusätzlich untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des DLR die dynamischen Strukturen von Plasmakristallen. Kosmonaut Ivanishin nutze dazu eine neue Experimentmöglichkeit, um Plasmakristalle zu zerstören. Er schaltete den Strom an der Plasmakammer aus, um die Gasentladung zu stoppen und schaltete den Strom dann sofort wieder an. In der tomographischen 3D-Aufzeichnung können die Forscher genau nachvollziehen, wie die Plasmakristalle dadurch schmelzen und re-kristallisieren, wenn die Ladung wieder aktiviert wird.