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.