Schöne Wolken in der Raumstation ISS

Oberpfaffenhofen, 31. März 2021. Seit 20 Jahren wird an Bord der Internationalen Raumstation ISS mit Plasmakristall-Anlagen sehr erfolgreich Grundlagenforschung betrieben. Die zur Raumfahrt- und Hochtechnologiegruppe OHB SE gehörende OHB System AG war von Anfang an maßgeblich beteiligt. Das aktuelle Forschungslabor PK-4 ist ein europäisch-russisches Projekt und wurde gerade zum elften Mal genutzt.

Die ISS ist ein idealer Ort für die Erforschung von Plasmakristallen, denn sie können in der Schwerelosigkeit frei schweben und sind somit nicht auf wenige Gitterebenen beschränkt. Dank der Zusammenarbeit zwischen Kosmonauten und den Experten auf der Erde kann vielseitig geforscht werden. „Wir haben uns über all die Jahre als Partner der deutschen, europäischen und russischen Raumfahrtagenturen bewährt, denn wir verstehen es, die Anforderungen der Wissenschaftler in raumfahrttaugliche und zuverlässige Forschungsanlagen umzusetzen", erklärt Dr. Andreas Winkler, Direktor Exploration, Wissenschaft und Astronautische Raumfahrt. „Mit PK-4 kann systematisch untersucht werden, wie sich Mikropartikel in komplexen Plasmen verhalten.“
Die aus den Experimenten resultierenden Daten und die entwickelte Technologie liefern Grundlagenwissen und werden für verschiedene astrophysikalische Fragestellungen oder künftige Anwendungen in Halbleitertechnologie oder Medizin herangezogen. Über hundert wissenschaftliche Veröffentlichungen belegen die Bedeutung und das Potential komplexer Plasmen. Die bislang durchgeführten Experimente mit unterschiedlichen Anlagen und Zielsetzungen, haben zu einer beachtlichen Datenmenge geführt, die das Verständnis von der Physik kondensierter Materie bereits erweitert und vertieft hat.
„Bei der elften PK-4-Kampagne ging es uns gezielt um Anregung von turbulenter Strömung, um Kollisionen von Partikelwolken mit unterschiedlichen Partikelgrößen, Anregung von Scherflüssen mittels Laserstrahlung und Eingrenzung von Wellenphänomenen, alles Themen aus der Flüssigkeitsphysik“, erklärt Dr. Hubertus Thomas vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Er leitet die Gruppe Komplexe Plasmen des DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum und führt auf deutscher Seite die wissenschaftliche Arbeit mit PK-4. “Die Daten, die uns während der Experimente live übermittelt wurden, zeigen, dass die Anlage perfekt gearbeitet hat und wir interessante Daten bekommen die uns tiefe Einblicke in diese physikalischen Phänomene liefern.“

PK-4 ist Nummer 3

PK-4 kam 2014 an Bord der Raumstation und wurde als permanente Forschungsanlage im europäischen Columbus-Modul installiert. Es handelt sich um die dritte Plasmakristall-Anlage für die ISS, an der OHB maßgeblich beteiligt ist. Mit der ersten Anlage, PKE-Nefedov, waren im März 2001 die Forschungsarbeiten auf der damals noch recht neuen Raumstation mit der ersten permanenten Crew eingeläutet worden.
Durch eine Gleichstromentladung erzeugt die Forschungsanlage PK-4 in ihrer mit einem Edelgas gefüllten Glasröhre dreidimensionale komplexe Plasmen, die ein wenig an Wolkenformationen erinnern. „Wir haben die PK-4-Anlage gemeinsam mit den Wissenschaftlern speziell für die Untersuchung der flüssigen Phase komplexer Plasmen auf kinetischem Level konzipiert“, erklärt Roland Seurig vom OHB-Raumfahrtzentrum Optik und Wissenschaft in Oberpfaffenhofen bei München. „Es geht um Strömungseigenschaften wie Turbulenzen in den erzeugten Mikropartikelwolken. Es zeigen sich Selbstorganisationseffekte wie Ketten- und Linienbildung, Entmischung, Wirbelbildung und Synchronisation. Komplexe Plasmen und die Zusammenarbeit mit den Kosmonauten verlieren auch nach vielen Jahren nichts von ihrer Faszination.“
PK-4 ist im EPM-Rack (European Physiology Module) untergebracht, das ebenfalls von OHB verantwortet wird und dafür sorgt, dass das Plasma-Labor ausreichend mit Strom versorgt und gekühlt wird.

Corona ändert bewährte Abläufe

Normalerweise gibt es bei den PK-4 Missionen zwei Hauptschauplätze: Das Columbus-Labor im Weltraum und das Bodenkontrollzentrum CADMOS in Toulouse. Über die EPM-Bodeninfrastruktur können die Experimente vom Boden aus gesteuert und die Wissenschaftler mit den Daten versorgt werden. Corona-bedingt konnten die Wissenschaftler die Experimente nicht von CADMOS aus betreuen, sondern wichen auf eine Re-mote-Steuerung aus. So konnten die Experimentläufe von verschiedenen Standorten aus beobachtet und gesteuert werden.  

OHB sorgt für verbesserte Übertragung der Experiment-Daten

Zwei weitere PK-4-Missionen stehen in 2021 an; drei sind für das Jahr 2022 geplant. Beginnend mit der 3. Wissenschaftsmission in 2021 soll alles viel schneller gehen: Die aufgezeichneten Experimentdaten werden dann von der ISS direkt zur Bodenstation in Oberpfaffenhofen übertragen und von dort weiter an CADMOS und die beteiligten Wissenschaftler. Die dafür notwendige und von OHB im Auftrag von CNES/CADMOS gelieferte Hard- und Software wird im Juli 2021 mit einem Progress-Raumfahrtzeug zur ISS gebracht. Dank dieser neuen Datentransfer-Methode können die aufwändigen Festplattentransporte zu und von der Raumstation entfallen und die Wissenschaftler erhalten schneller Zugriff auf die Experimentdaten.