Schwerelose Wissenschaft

ISPS Bonn

Die Internationale Raumstation wird wegen der hohen Kosten und angeblich fehlenden wissenschaftlichen Resultaten häufig kritisiert. Mittlerweile sind die Kapazitäten diesen fliegenden Labors so hoch, dass immer mehr wissenschaftliche Resultate erzielt werden. Im Folgenden möchte ich einige davon vorstellen, denn ich besuche momentan die ISPS 4-Konferenz in Bonn – das 4th International Symposium on Physical Sciences in Space. Wie der Name schon sagt, geht es um Forschung im Weltraum und auch in der Schwerelosigkeit. Es werden neben Experimenten auf der Internationalen Raumstation auch Forschung während Parabelflügen, in Falltürmen und bei ballistischen Raketenflügen vorgestellt.

Am ersten Tag ging es gleich mit einem topaktuellen Bereich der Physik
los: Quantenuhren. Christophe Solomon vom Laboratoire Kastler Brossel in Paris stellte das Prinzip dieser hochpräzisen Uhren vor: als Oszillator wird die Frequenz eines spektroskopischen Übergangs in einem Atom verwendet. Damit kann eine enorme Genauigkeit erreicht werden: so ein Uhr, gestartet zum Zeitpunkt des Big Bang, würde heute nur 5 Sekunden falsch gehen! So eine Genauigkeit ermöglicht beispielsweise eine Messung der Zeitdilatation im Schwerefeld der Erde. Schon bei einem Höhenunterschied von 30 cm gibt es
einen messbaren Effekt (der allerdings in den Fehlerbalken der Messpunkte fast untergeht). Nun ist es geplant, solch eine Uhr auf die ISS zu bringen, die sich immerhin in 400 km Höhe befindet, und dort die Messung zu wiederholen. So kann man das Gravitationsfeld der Erde genau vermessen.

Im nächsten Vortrag hat Oleg Petrov von unserem Partnerinstitut JIHT in Moskau von unserem gemeinsamen Experiment auf der ISS berichtet. Darüber habe ich hier im Blog schon mehrmals geschrieben und spare mir hier nun eine weitere Zusammenfassung.


Flüssigkeitsbrücke (C) JAXA,Tokyo University of Science, Suwa)

Neu für mich war dann aber der Vortrag von S. Matsumoto über das Marangoni-Projekt der japanischen Raumfahrtagentur JAXA in dem japanischen Modul der Raumstation, Kibo. Marangoni-Konvektion tritt dann auf, wenn es einen Unterschied in der Oberflächenspannung entlang einer Flüssigkeit gibt, typischerweise hervorgerufen durch einen Temperaturgradienten. Diese Art der Konvektion wird seit vielen Jahrzehnten studiert, aber es gibt noch nicht genügend Daten zum Beginn des Flüssigkeittransports.

Die Experimente laufen typischerweise so ab, dass zwei Platten voneinander entfernt werden, zwischen denen sich eine Flüssigkeit befindet. Die Flüssigkeit bildet dann eine Brücke zwischen den Platten, die von der Oberflächenspannung gehalten wird (wie auf dem Bild zu sehen). Eine der Platten wird geheizt, was zu einem Temperaturunterschied und dadurch auch zu einem Unterschied in der Oberflächenspannung entlang der Flüssigkeitsbrücke führt.

Im Weltraum kann man solche Experimente um einiges besser durchführen als in der Gravitation – es können längere Brücken erstellt werden, es tritt keine normale (gravitationsbedingte) Konvektion auf, usw. Es wurden bereits interessante Ergebnisse zu der Marangoni-Konvektion erzeilt, wenn auf die recht geringen Fluktuationen der Beschleunigung auf der ISS (z.B. durch die Crew verursacht) noch stört.

Ein anderer Bereich der Physik, der besonders gut in der Schwerelosigkeit untersucht werden kann, ist das Erstarrten von Flüssigkeiten. Auf der Erde richten sich die Mikrostrukturen dabei durch diverse Störungen (z.B. wieder die oben schon genannte Konvektion) durcheinander aus. Die Eigenschaften des Materials werden jedoch stark durch die Grenzflächen bestimmt, und eine Kontrolle dieser Grenzflächen ist sehr wünschenswert. Unter Mikrogravitation gelingt es, sehr homogene Proben herzustellen, die man besonders gut untersuchen kann.

Es ist oft auch sinnvoll, ein Modellsystem für molekulare Systeme zu verwenden. Davon hat M. Sperl vom DLR berichtet – seine Gruppe untersucht Kolloide in der Schwerelosigkeit. Kolloide bestehen aus Kügelchen in einer Flüssigkeit. Diese Kügelchen können sich wie ein Festkörper, eine Flüssigkeit oder ein Gas verhalten und dienen zur Untersuchung von Systemen weit weg vom thermischen Gleichgewicht, Strukturbildung und fundamentalen Eigenschaften von verschiedenen Packungsarten.

In einem Experiment im Bremer Fallturm wurde beispielsweise die Abkühlung eines granularen Gases untersucht. Dabei werden die Kügelchen im ersten Teil des Experiments mit Magnetfeldern geschüttelt, um einen möglichst gleichförmigen Ausgangszustand zu erreichen. Im zweiten Teil des Experiments kann man dann beobachten, wie jedes ‚Molekül‘ sich bewegt und abkühlt.

Ein anderes großes Thema auf der Konferenz ist Flüssigkeitstransport in Mikrogravitation. Dies wird unter anderem mit dem CCF-Experiment auf der ISS untersucht, wie M. Dreyer von der Universität Bremen berichtete. CCF steht für "Capillary Channel Flow", es geht also um den Fluss in einer dünnen Röhre. CCF ist ein Deutsch-Amerikanisches Projekt, eine Kooperation zwischen dem DLR/ZARM und der NASA. Es ist Anfang dieses Jahres in Betrieb gegangen.


Blasen im CCF-Experiment (c)ZARM/DLR

In der Schwerelosigkeit ‚klebt‘ eine Flüssigkeit typischerweise an den
Wänden des Behälters, da es ja keine Gravitation auf den Boden zieht. Um die Flüssigkeit, z.B. Treibstoff, nun zu transportieren, werden häufig zwei parallel Platten verwendet. Die Flüssigkeit bleibt dank der Oberflächenspannung zwischen den Platten. Wird sie nun gezwungen, mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu fließen, kollabieren die Seiten der
Flüssigkeit irgendwann, und Gasblasen dringen ein. Das ist im Bild rechts zu sehen. Im CCF-Experiment wird untersucht, ab welcher Flussrate das passiert.

Morgen bin ich gespannt auf die Vorträge zu Staub – da gibt es spannende Experimente zu Planetenbildung.

Mierk Schwabe

Veröffentlicht von

Erhöht man die Spannung zwischen zwei Elektroden, die ein Gas umgeben, beginnt das Gas irgendwann zu leuchten: Freie Elektronen im Gas haben genug Energie, um die Gasteilchen zu ionisieren und noch mehr Elektronen aus den Atomen zu schlagen. Ein Plasma wurde gezündet, die Zündspannung ist erreicht. Gibt man nun noch zusätzlich Mikrometer große Teilchen in das Plasma, erhält man ein sogenanntes "Komplexes Plasma", mit dem ich mich zunächst als Doktorand und Post-Doc am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und nun an der University of California in Berkeley beschäftige. In diesem Blog möchte ich sowie ein wenig Einblick in den Alltag im Forschungsinstitut bieten, als auch über den (Plasma)-Rand hinaus blicken. Mierk Schwabe

2 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Zeitdilatation bei Satelliten

    Bild:

    http://members.chello.at/….bednarik/ZEITDILA.PNG

    Wenn man die durch die Höhe verursachte Verringerung der gravitativen Zeitdilatation relativ zur Erdoberfläche und die durch die für diese Höhe erforderliche Kreisbahngeschwindigkeit bedingte Zeitdilatation mit einander vergleicht, zeigt sich, dass sich bei einem Bahnradius vom 1,5-fachen des Erdradius, also in einer Flughöhe von einem halben Erdradius, die beiden Effekte genau aufheben, und daher die Zeit auf einer solchen Kreisbahn genau so schnell vergeht, wie auf der Erdoberfläche.

    Berechnung:

    http://de.wikipedia.org/…xisnahes_Rechenbeispiel

    Die ISS ist mit 400 km Höhe aber viel niedriger als die hier berechneten 3189 km.

    Deshalb dominiert in der ISS die von der Kreisbahngeschwindigkeit verursachte Zeitdilatation.

    Im Gegensatz dazu, liegen die GPS-Satelliten mit 20200 km Höhe weit über der zeit-neutralen Höhe.

  2. µd-Deja-vu

    „Neu für mich war dann aber der Vortrag […] über das Marangoni-Projekt“ – so as gab’s schon vor fast 20 Jahren bei der Spacelab-Mission D2 (mehrere Papers in den angestaubten Proceedings der Nach-Tagung auf Norderney). Wie überhaupt die Bilder und Experimentbeschreibungen hier – im Groben jedenfalls – durchweg starke Erinnerungen an die Spacelab-Ära wecken.

    Zumindest dem Raumfahrt-Beobachter von außen erschließt sich kaum Fortschritt bei der µg-Forschung in Jahrzehnten, und man hat den Eindruck, die durch die bemannte Raumfahrt geschaffenen Nischen werden oft einfach mit irgendwelchen Experimenten gefüllt – das bestätigte jüngst sogar ein ehemaliger NASA-µg-Manager in Science (1. Juli 2011 S. 31).

    Meine Versuche, von NASA, ESA oder DLR mal konkrete Auskünfte über den ‚Impakt‘ der Jahrzehnte µg-Forschung zu erhalten (also wie oft Veröffentlichungen aus der Raumfahrt im entsprechenden Fachgebiet insgesamt zitiert werden, welche Rolle sie also im Gesamtbild dieser Teilbereiche von Physik, Biologie etc. spielen), sind bisher jedenfalls allesamt ignoriert worden …

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