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Forschung ohne Schwerkraft

Sie sorgt dafür, dass wir fest auf dem Boden stehen und nicht einfach wegschweben: die Schwerkraft. Was aber in unserem Alltag durchaus praktisch ist, kann für wissenschaftliche Experimente manchmal hinderlich sein. Deshalb führen Forscher manche Tests lieber in der Schwerelosigkeit aus. Auf der Erde bieten elektrostatische Fallen, Falltürme und Parabelflüge die Möglichkeit, die Wirkung der Gravitation auszuschalten. Noch besser und länger aber geht dies im Erdorbit – beispielsweise auf der Raumstation ISS.

Der Alltag von Astronauten und Kosmonauten in der Schwerelosigkeit ist kompliziert. Sie müssen nicht nur Essen aus der Tube zu sich nehmen, auch die Umsetzung der täglichen Hygiene in der Schwerelosigkeit ist eine technische Herausforderung. Was für sie eher gewöhnungsbedürftig ist, ist aus wissenschaftlicher Sicht aber von großem Nutzen. Auf der ISS oder bei anderen Weltraummissionen lassen sich Experimente durchführen, die auf der Erde nur im begrenzten Maßstab möglich wären.

Die Schwerkraft im Labor "austricksen"

Dabei lässt sich nicht nur der Einfluss der kosmischen Strahlung auf Lebewesen und Versuchsobjekte untersuchen, vor der wir auf unserem Planeten durch das Erdmagnetfeld geschützt sind. Vor allem die Schwerelosigkeit der Raumstationen bietet einzigartige Bedingungen für Experimente, die sich in Laboren auf der Erde kaum realisieren lassen. Denn den Zustand einer scheinbaren Schwerelosigkeit zu erreichen, ist nicht einfach. Die Gravitationskraft wirkt auf alle Körper, die eine Masse haben. Damit sind wir auf der Erde ständig der Erdanziehung ausgesetzt.

Doch es gibt einige Möglichkeiten, die Schwerkraft auszutricksen. Um Objekte auf möglichst einfache Weise schweben zu lassen, nutzt man zum Beispiel elektrostatische Fallen. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel flüssige Metalle, Legierungen oder Halbleiter untersuchen, die in einer Vakuumkammer mit starken elektrischen Feldern in der Schwebe gehalten werden. Dazu müssen die Proben aber elektrisch geladen sein. Deshalb ist bei diesen Experimenten oft nicht klar, ob die elektrische Ladung die physikalischen Phänomene beeinflusst.

Experimente einfach fallen lassen

Eine andere Möglichkeit besteht darin – stark vereinfacht ausgedrückt – die Experimentieranordnung fallen zu lassen, denn das Gewicht ist auch immer eine Frage des Bezugssystems. Wenn man auf einer Waage stehend vom Dreimeterturm im Schwimmbad springen würde oder sich in einem fallenden Aufzug befände, würde die Waage während des Fallens kein Gewicht anzeigen. Der freie Fall gleicht den Effekt der Schwerkraft auf unser Körpergewicht aus. Wenn man die Waage als Bezugspunkt nimmt, befinden wir uns im Fall daher in der Schwerelosigkeit.

Diese Methode wird beispielsweise in Falltürmen angewandt. Allerdings ist die Zeit, die die Testobjekte in der Schwerelosigkeit verbringen, nur kurz. Selbst beim 146 Meter hohen Fallturm der Universität Bremen beträgt die Zeit in der Schwerelosigkeit nur etwa 4,6 Sekunden. Zeitaufwändigere Experimente sind in Falltürmen demzufolge nicht möglich.

Schwerelos im Parabelflug

Um auch längere Experimente in der Schwerelosigkeit durchführen zu können, sind andere Methoden nötig. Bei diesen ist nicht der freie Fall entscheidend, stattdessen gleichen bei diesen Techniken die Trägheitskräfte der Bewegung die Schwerkraft aus. Beispiele dafür sind Forschungsraketen oder Parabelflüge. Bei letzteren steigt das Flugzeug zunächst mit 45 Grad in die Höhe und fliegt dann fast im Sturzflug wieder Richtung Erde. Dadurch ähnelt die Flugbahn einer Parabel. Während der Zeit befindet sich das Flugzeug für eine Zeit von etwa 22 Sekunden in der Schwerelosigkeit. In dieser Zeit können Forscher an Bord Messungen und Tests durchführen.

Längere Zeiten für Experimente sind bei Flügen mit Forschungsraketen möglich, die eine Höhe von bis zu 850 Kilometern erreichen und dann zurück zur Erde fallen. Die Versuche an Bord können dann bis zu 15 Minuten dauern. Allerdings müssen diese Experimente weitestgehend automatisiert stattfinden, denn diese Raketen sind unbemannt.

Für einige Versuche sind solche kurzen Phasen der Schwerelosigkeit ausreichend, für andere jedoch reicht die Zeit nicht aus. Dennoch sind solche Experimente unter Mikro-g Bedingungen auf der Erde nicht nutzlos, denn oft stellen sie  wertvolle Vorversuche für die eigentlichen Experimente auf der Raumstation ISS dar – dem größten Schwerelosigkeitslabor der Menschheit.

Schwerelos im Orbit

Auf Raumstationen wie der ISS, der ehemaligen russischen Raumstation Mir oder auf den Missionen der früheren US-Raumfähren wird die Schwerkraft der Erde durch die Zentrifugalkraft der schnellen Erdumkreisungen der Station kompensiert. In der Erdumlaufbahn  herrscht außerdem eine relativ gleichmäßige und daher für Experimente gut geeignete Schwerelosigkeit. Allerdings gibt es selbst dort noch kleine Störungen.

Experimentiert wird auf der Raumstation ISS unter allen möglichen Gesichtspunkten: Forscher führen Grundlagenexperimente der Quantenphysik durch, beobachten Kristallisationsprozesse diverser Materialien und untersuchen die Wirkung der Schwerelosigkeit auf Lebewesen.

Muskelschwund und Space-Bier

Besonders Astronauten haben unter den Folgen der Schwerelosigkeit zu leiden, denn diese beschleunigt denn Muskel- und Knochenabbau. Wenn jedoch eines Tages Menschen zum Mars oder sogar darüber hinaus fliegen sollen, muss man wissen, wie sich dies vermeiden lässt. Deshalb führen Astronauten auf der ISS dazu intensive Tests durch. In diversen Versuchen messen sie mit Sensoren, wie schnell sich ihre Muskeln und Knochen abbauen. Dadurch haben Weltraummediziner die Trainingsgeräte und -methoden gegen den Muskelabbau schon stark verbessert.

Damit auch für die Ernährung der Raumschiff-Besatzung gesorgt ist, wenn sie möglicherweise eines Tages zum Mars unterwegs sind oder sogar Kolonien auf anderen Planeten gründen, wird auch das Pflanzenwachstum in der Schwerelosigkeit untersucht. Pflanzen orientieren ihr Wachstum an der Gravitation, sie gibt beispielsweise vor, in welche Richtung Wurzeln oder Stängel wachsen. Dafür reagieren unter anderem  die Zellen in den Wurzelspitzen sehr sensibel auf die Schwerkraft.

Bei Versuchen mit der Ackerschmalwand zeigte sich in ersten Versuchen im Orbit, dass die Bildung des Pflanzenwachstumhormons Auxin beeinträchtigt war und die Blätter viel extremer auf Lichtmangel reagierten. Wurzeln bildeten die Pflanzen dennoch in der für sie typischen Korkenzieherform.

Andere Lebewesen wie Hefen zeigten in der Schwerelosigkeit hingegen keine Änderung in ihrem Wachstum. 2019 wurde in einem Experiment des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt untersucht, ob Hefen im Weltall auch das Vitamin B12 produzieren, dass für eine gesunde Ernährung von Astronauten notwendig ist. Glücklicherweise waren auch die schwerelosen Hefen dazu in der Lage. Besonders kurios: Aus den Hefen des Experiments stellten Biologen vom Weincampus Neustadt später Bier und Wein her. Am Tag der offenen Tür konnten Besucher die ALL-koholhaltigen Getränke dann verkosten.

Ersatzteile aus dem 3D-Drucker

Nüchterner sind hingegen die Fragestellungen der Materialphysik. In diesen Experimenten wird unter anderem untersucht, inwiefern Schwerkrafts-Prozesse das Kristallwachstum beim Erstarren von Halbleitern und Metalllegierungen beeinflussen. Denn auf der Erde kann der Einfluss der Schwerkraft die Bildung eines geordneten Kristallgitters stören. Das sorgt zum Beispiel bei der Herstellung von Solarzellen für Probleme. Um diese Prozesse zu verstehen, sind Vergleichsproben aus dem Weltall notwendig, bei denen der gravitationsbedingte Auftrieb keine Rolle spielt.

Auch aus eigenen Interesse untersuchen Astronauten, wie 3D-Drucker in der Schwerelosigkeit funktionieren. Die Schicht-für-Schicht-Auftragung von Pulvern, die dann zu den Bauteilen aushärten sollen, ist ohne Schwerkraft schwierig. Deshalb versuchen sie, die Partikel des Pulverbetts mittels Gasströmen zu fixieren. In der Zukunft könnten Astronauten so Ersatzteile für die Raumstation selber herstellen.

Riesige Quantenobjekte

In anderen Experimenten untersuchen Forscher, wie die Quantenphysik in der Schwerelosigkeit funktioniert. Im Jahr 2017 erzeugten Forscher erstmals ein Bose-Einstein-Kondensat aus ultrakalten Rubidium-Atomen im Weltall. Bei tiefen Temperaturen, nahe dem absoluten Nullpunkt, befinden sich die Atome des Kondensats alle im selben Quantenzustand und verhalten sich wie ein einziges Riesenatom. In diesem exotischen Zustand lassen sich alle Atome durch eine einzige Wellenfunktion beschreiben.

Die Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten war bereits in einer Ionenfalle und auch im Bremer Fallturm möglich. Allerdings hielt dieser Zustand nicht besonders lange und die Größe der Atomwolke in der Ionenfalle war auch eher klein. Beim Versuch im Weltall nahm das Bose-Einstein-Kondensat aber eine Größe von mehreren Millimetern an – ein für Quantenobjekte riesiges Ausmaß.

SRE, 11.03.2020
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