Panorama

20 Jahre Plasmaforschung auf der ISS

11.03.2021 - In Schwerelosigkeit erste Phase der Planetenentstehung nachstellbar.

Seit 20 Jah­ren sind sie eine zu­ver­läs­sige Quelle für neue Ein­sich­ten in der Phy­sik: die Plas­mak­ristall-Ex­pe­ri­men­te an Bord der In­ter­na­ti­o­na­len Raumsta­tion ISS. Grund­la­gen­wis­sen für die Lehr­bü­cher der Zu­kunft ist das Haupt­ziel die­ser For­schung. Aus den ge­won­ne­nen Er­kennt­nis­sen las­sen sich ver­schiedene An­wen­dun­gen ab­lei­ten, ins­be­son­dere in den Be­rei­chen Me­di­zin, Um­welt­schutz, Raum­fahrt so­wie bei Halb­lei­ter- und Mik­ro­chip­tech­no­lo­gien. Mit­tels Tech­nolo­gie­trans­fers er­schließt die Plas­ma­for­schung auch neue An­wen­dungs­fel­der, ba­sie­rend etwa auf den Ent­wick­lun­gen der minia­turi­sier­ten raumfahrttaug­li­chen La­bor­sys­teme. Be­reits die erste ISS-Crew hatte Plas­ma­for­schung auf ihrer Agenda und am 3. März 2001 fiel der Start­schuss für die ers­ten Lang­zeit­ver­su­che un­ter Schwere­losig­keit. Die aktu­elle Crew wird nun Ende März die neu­este Ex­pe­ri­ment­reihe durch­füh­ren, un­ter der Lei­tung des er­fah­re­nen For­schungs­teams am Deut­schen Zent­rum für Luft- und Raum­fahrt (DLR) in Ober­pfaf­fenh­ofen.

„Für die For­schung zu kom­ple­xen Plas­men bie­tet die Schwere­lo­sig­keit die ein­zige Mög­lich­keit den ge­sam­ten, wis­sen­schaftlich inte­res­san­ten Para­me­ter­raum zu un­ter­su­chen. Sie ist prä­des­ti­niert für die ISS“, sagt Gruppen­leiter Dr. Hu­ber­tus Thomas vom DLR-Insti­tut für Ma­teri­alphysik im Weltraum.

„Für die For­schung zu kom­ple­xen Plas­men bie­tet die Schwere­lo­sig­keit die ein­zige Mög­lich­keit den ge­sam­ten, wis­sen­schaftlich inte­res­san­ten Para­me­ter­raum zu un­ter­su­chen. Sie ist prä­des­ti­niert für die ISS“, sagt Gruppen­leiter Dr. Hu­ber­tus Thomas vom DLR-Insti­tut für Ma­teri­alphysik im Weltraum.

Im Ge­gen­satz zur Erde, auf der Plas­men in na­türli­cher Form sehr sel­ten vor­kom­men, be­fin­det sich im Weltraum 99 Pro­zent der sicht­ba­ren Ma­te­rie in die­sem an­ge­reg­ten hochioni­sier­ten Zu­stand. Dazu zäh­len Sterne, da­run­ter die Sonne, oder die Iono­sphäre von Pla­ne­ten. Wenn in dem elektrisch gela­de­nen Gas zu­sätz­lich Staubteil­chen oder an­dere Mik­ro­parti­kel ent­hal­ten sind, ent­ste­hen soge­nannte „kom­plexe Plas­men“, die kris­tal­line Strukturen bil­den kön­nen.

Neben der aus­ge­klü­gel­ten Tech­nolo­gie und Hard­ware sind auch die „Aus­füh­ren­den“ an Bord der ISS für das Ge­lin­gen der Ver­suchsreihe we­sent­lich. Der ESA-Ast­ro­naut Thomas Rei­ter hatte bis­her als einzi­ger Deut­scher diese Rolle inne. Im Rah­men der Mis­sion Ast­rolab be­diente er im Au­gust und Ok­tober 2006 das Plas­mak­ristall-La­bor PK-3 Plus.

„PK-3 Plus war ein wirklich in­ter­ak­ti­ves Ex­peri­ment. Nach der In­be­trieb­nahme hatte ich bei vie­len Ver­suchsse­rien di­rekte Funk­verbin­dung zu den Wis­sen­schaftle­rin­nen und Wis­sen­schaftlern am Bo­den. Die Schilde­rung mei­ner Be­obachtun­gen er­laub­ten es ihnen Mo­difi­kati­o­nen der ver­schie­de­nen Ver­suchspa­ra­meter durchzu­ge­ben, die ich dann an dem Plas­makristall-La­bor ein­stellte. Es war fas­zi­nie­rend – trotz der gro­ßen Ent­fer­nung zur Bo­den­sta­tion war man Teil ei­nes For­schungsteams. Die Zu­samme­nar­beit war nicht nur hoch­in­te­res­sant, sie hat auch rie­si­gen Spaß ge­macht! PK 3 Plus war auch ein Bei­spiel da­für, dass Grundlagen­for­schung auch ganz un­er­war­tete An­wendun­gen für den All­tag auf der Erde ha­ben kann“, erin­nert sich Thomas Rei­ter, der mit Ast­rolab als ers­ter Eu­ro­päer eine Lang­zeit­mis­sion auf der ISS ab­sol­vierte und heute als ESA-Ko­or­di­na­tor in­ter­nati­o­nale Agentu­ren und Be­ra­ter des Ge­ne­ral­di­rek­tors tätig ist.

Als Ex­peri­men­tat­oren se­hen, den­ken und han­deln die Ast­ronauten mit. Für die Wis­sen­schaftler am Bo­den kön­nen sie auf un­ter­war­tete Situ­atio­nen rea­gie­ren oder auf neue Er­kennt­nisse ein­ge­hen. Ein be­son­de­res glückli­ches Händchen be­wies Kos­mo­naut Juri Ba­turin während der Ex­pe­ri­ment­reihe im Mai 2001: In der La­bor­kam­mer ließ sich das Plasma nicht zün­den. Der Kos­mo­naut setzte das Ex­peri­ment je­doch fort und schüt­telte Mik­ro­par­tikel in das neutrale statt ge­la­dene Gas der Kam­mer. Zum Er­staunen der Wis­sen­schaftler wa­ren die Teil­chen so­wohl po­sitiv als auch ne­ga­tiv ge­la­den und form­ten durch die starke elektri­sche An­zie­hung in Se­kun­den­bruch­tei­len ein gro­ßes Ag­glo­me­rat von mehre­ren Mil­li­me­ter Durchmesser und wei­tere „Klümpchen“. An­hand die­ser Be­obachtung könnte das bis­he­rige Rät­sel der Pla­ne­tenentste­hung ge­löst wer­den, wie die erste Phase der Ag­glo­me­ra­tion von Teil­chen mit ei­ner Größe von Mik­ro­me­tern von­stat­ten­geht.

Hier zeigt sich auch die Nähe des For­schungs­the­mas zu na­tür­li­chen stau­bi­gen Plas­men, die in un­se­rem Son­nen­sys­tem zum Bei­spiel in den Rin­gen des Sa­turns oder auf dem Mond vor­kom­men. „Der Staub ist ei­nes der größten Probleme auf dem Mond! Ge­rade für die kommenden Mond­missio­nen sind die grundle­gen­den Er­kenntnisse der Plas­ma­for­schung auf der ISS wichtig, um die Ei­gen­schaften von Mond­staub ge­nauer zu ver­ste­hen und bes­ser da­mit um­ge­hen zu kön­nen“, er­klärt Thomas. Der Staub im Son­nen­plasma ist auf­ge­la­den, kann dadurch so­gar schwe­ben und hat ei­nen stark haf­ten­den Ef­fekt. Da Mondstaub scharf­kantig ist, führt dies zu er­höh­tem Ver­schleiß von Oberflä­chen und In­stru­menten und stellt ein ge­sundheitli­ches Ri­siko für die Ast­ro­nauten dar.

Mit über 100 wis­sen­schaftli­chen Ver­öf­fentli­chun­gen zählen die Plas­mak­ristall-Expe­ri­mente zu den erfolg­reichs­ten For­schungspro­jek­ten auf der ISS. Mehr­fach haben die Er­kennt­nisse daraus das Lehr­wissen der Physik erwei­tert und re­vi­diert. So konnte das Team rund um Dr. Hu­ber­tus Thomas auch nach­wei­sen, dass ein kom­plexes Plasma ein neuer Zu­stand der wei­chen Mate­rie ist. In der Schwerelo­sig­keit brei­ten sich die ge­lade­nen Mikroteil­chen frei im Raum aus und bilden geord­nete dreidi­mensi­onale Kris­tall­struk­turen, soge­nannte „Plas­mak­ris­talle“. Deren Ent­de­ckung im Jahr 1994 verän­derte die Lehr­mei­nung in der Phy­sik grund­le­gend, da Plasma bis­her als unge­ord­nets­ter Zu­stand der Mate­rie galt.

Die Ex­peri­mente an Bord der ISS ma­chen physi­kali­sche Pro­zesse auf ato­ma­rer Ebene sicht­bar. Wie in Zeit­lupe las­sen sich die Bewe­gung von einzel­nen „Ato­men“ und ihre Wech­selwir­kun­gen nach­verfol­gen. In den letz­ten 20 Jah­ren ge­wan­nen die Wis­sen­schaftler dadurch ein­zig­ar­tige Einbli­cke in die Bil­dung von gro­ßen Kris­tall­struk­turen und langen Ket­ten, die Aus­brei­tung von Wel­len, zu Scherströ­mun­gen und zu den Fließ­ei­gen­schaf­ten von kom­plexen Plas­men. Mit den Un­ter­su­chun­gen an dem Mo­dell­sys­tem tragen die Plas­ma­for­scher dazu bei, die dy­na­mi­schen Pro­zesse und Phä­no­mene besser zu ver­ste­hen und das Grundlagen­wissen in der Phy­sik zu er­wei­tern. Die Faszi­na­tion für das Welt­all schwingt da­bei immer mit:

„Manchmal sieht man den Über­flug der ISS am Him­mel und wenn ich mir vor­stelle, dass da un­ser La­bor ist und ein Kos­mo­naut dort ge­rade ein Plas­mak­ris­tall-Ex­pe­riment durch­führt, dann finde ich das faszi­nie­rend. Wir haben nicht nur unser La­bor im Kel­ler, son­dern auch auf dem ext­rems­ten Au­ßen­pos­ten der Menschheit – das ist auch nach 20 Jahren immer noch et­was ganz Be­son­de­res“, so Thomas. Vom 22. bis 29. März 2021 fin­den die nächs­ten Plas­mak­ris­tall-Expe­ri­mente wie­der in rund 400 Ki­lo­meter Höhe statt.

Das erste Plas­makristall-La­bor „PKE-Nefe­dov“ wurde im An­den­ken an den 2001 ge­stor­benen Physiker und PKE-Wissen­schaftler Anatoli P. Nefedov be­nannt. Es war von 2001 bis 2005 im Ein­satz, ge­folgt von „PK-3 Plus“ für wei­tere sie­ben Jahre. Seit 2014 ist das La­bor „PK-4“ in Be­trieb und ist wie die vo­ran­ge­gan­ge­nen Pro­jekte eine deutsch/europä­isch-russi­sche Er­folgs­ge­schichte. PK-4 ist eine Ko­ope­ra­tion der euro­päi­schen Welt­raumor­ga­nisa­tion ESA und der russi­schen Raum­fahrt­be­hörde RO­S­KOS­MOS, mit 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). Vom CAD­MOS-Kon­troll­zent­rum im fran­zösi­schen Toulouse aus und zu­letzt vom Deut­schen Raum­fahrt­kon­troll­zent­rum des DLR in Ober­pfaf­fenh­ofen, er­folgt die Steu­e­rung der Expe­ri­mente. Die expe­ri­men­telle Hard­ware ist eine Ei­gen­ent­wick­lung der Gruppe wäh­rend ih­rer Zeit am MPE und der OHB Sys­tem AG (ehe­mals Kay­ser Threde). Zu­sätz­liche Fi­nan­zie­rung des Pro­jek­tes in Deutsch­land er­folgte durch die Max-Planck-Ge­sell­schaft und die Deut­sche Raum­fahrt­agen­tur im DLR, wel­che die Plas­ma­for­schung an Bord der ISS von Be­ginn an un­ter­stützt hat.

PK-4 zeigt ein­mal mehr auf ein­drucksvolle Weise, wel­ches gro­ßes Po­ten­zial die For­schung mit kom­ple­xen Plas­men auf der Inter­nati­ona­len Raumsta­tion selbst nach zwei Jahr­zehn­ten im­mer noch hat. Dies wird auch in­ter­nati­onal so ge­se­hen. Da­her dis­ku­tiert die Deut­sche Raum­fahrt­agen­tur im DLR der­zeit ge­mein­sam mit NASA, ESA, ROS­KOS­MOS und den welt­weit füh­ren­den Wis­sen­schaftlern die Mög­lich­kei­ten für ein Nach­folge-Expe­ri­ment von PK-4 mit dem Na­men „COMPACT“: „Mit die­ser neuen Ex­peri­men­t­an­lage könnte die Er­folgs­ge­schichte der For­schung mit kom­ple­xen Plas­men fort­ge­schrie­ben und um ein wei­te­res span­nen­des Kapi­tel be­rei­chert wer­den“, so der Aus­blick von Dr. Thomas Driebe, Pro­grammlei­ter für Phy­sik und Ma­teri­alfor­schung der Deut­schen Raum­fahrt­agen­tur im DLR.

DLR / LK