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Experimente in der Raumstation zu Komplexem Plasma

 

11. Nov 2019 - 16:15 Uhr


Raumfahrt

Experimente in der Raumstation zu Komplexem Plasma

Unter der Leitung von Wissenschaftlern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zeichnet ein Kosmonaut im Modul Columbus auf der Raumstation ISS auf, wie Mikroteilchen schwerelos durch ein Neonplasma tanzen, Strukturen bilden und dadurch Einblicke in grundlegende physikalische Prozesse geben. Gespannt verfolgen die Wissenschaftler vom Kontrollzentrum CADMOS in Toulouse, Frankreich aus den Ablauf.


Die wichtigste Aufgabe des Kosmonauten in der Raumstation ISS ist es, die Messung im richtigen Augenblick zu starten, d.h. die Mikroteilchen durch das ionisierte Gas zu schicken und den Reigen der "komplexen Plasmen" auf dem Bildschirm einzufangen.


ESA und Roskosmos forschen an Plasmen


Das Plasmakristall-Labor PK-4 ist eine Kooperation der europäischen Weltraumorganisation ESA – European Space Agency 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). Die experimentelle Hardware ist eine Eigenentwicklung der Gruppe während ihrer Zeit am MPE und der OHB System AG.


Vom 10. bis 16. November 2019 führt der russische Kosmonaut Alexander Skvorzow die neue Experimentreihe mit dem Plasmakristall-Labor PK-4 durch. Praktische Erfahrung bringt Skvorzow bereits mit, der zurzeit seinen dritten Langzeitaufenthalt auf der ISS absolviert. Während seiner ersten Mission 2010 hatte er Plasmakristall-Experimente mit dem Vorgänger-Labor PK-3 Plus durchgeführt, hier in deutsch-russischer Kooperation. Das aktuelle Labor PK-4 ist im europäischen Columbus-Modul der Internationalen Raumstation installiert und bietet als Multi-Purpose-Multi-User-Facility vielfältige Möglichkeiten für die Plasmaforschung unter Schwerelosigkeit.


Neuer Aggregatszustand im All mitentdeckt


Hauptziel der DLR-Forschungsgruppe Komplexe Plasmen ist es, Lehrbuchwissen der Zukunft zu erzeugen. Die Plasmakristall-Experimente offenbaren als Modellsystem die Dynamik von Flüssigkeiten und Festkörpern. Diese Grundlagenforschung ist auch für das Verständnis von Komplexem Plasma wichtig, das als ein eigener Aggregatszustand der weichen Materie entdeckt wurde – mithilfe von Weltraumexperimenten. Darüber hinaus gibt es auch natürliche komplexe Plasmen, sogenannte "staubige Plasmen". Sie treten in der Natur auf, beispielsweise als Blitze in Vulkaneruptionen, und können künstlich im Labor hergestellt werden. Dies schafft Grundlagenwissen, das für Fusionsplasmen und nicht zuletzt auch für Explorationen zum Mond oder Mars Bedeutung haben kann.


Die physikalische Forschung unter Schwerelosigkeit ist eines der Hauptthemen am DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum in Köln. Dazu führt das Institut unterschiedliche Experimente zur Materialforschung in Metallen und Legierungen und im Bereich der weichen Materie in Kolloidphysik, Granularen Medien und den Komplexen Plasmen durch – auf Parabelflügen, dem Fallturm, auf Raketen und an Bord der ISS. Die Aktivitäten werden auf der Erde durch experimentelle und theoretische Forschungsarbeiten sowie numerische Simulationen begleitet. Mit mehr als 100 wissenschaftlichen Veröffentlichungen zählen die Plasmakristall-Experimente seit ihrem Progammbeginn 2001 zu den erfolgreichsten Forschungsarbeiten auf der Internationalen Raumstation. Bezahlt wird PK-4 wird durch ESA und ROSKOSMOS. In Deutschland wird das Projekt zusätzlich durch das Raumfahrtmanagement des DLR und der Max-Planck-Gesellschaft finanziert.


Plasma im ISS-Experiment auf den Bildern


ISS und Columbus-Labor vor der unbeleuchteten Erde: Die Internationale Raumstation ISS schwebt über der Nachtseite. In blau erscheint am rechten Bildrand der beleuchtete Teil der Erde. In der Bildmitte ist das europäische Columbus-Labor, als hell glänzende Tonne zu erkennen, das im Februar 2008 an der ISS montiert wurde; Mit dem Plasmakristall-Labor PK-4 sollen physikalische Grundlagen komplexer, dreidimensionaler Plasmen erforscht werden; PK-4 Experiment, Teilchenverteilung in der Plasmakammer: Originalbild einer String-Flüssigkeit von der siebten Kampagne mit PK-4 auf der Internationalen Raumstation im Juli 2019. Das Bild links zeigt ein Orginalbild der Mikroteilchenverteilung in der Plasmakammer auf der ISS. Hierbei wird eine Ebene mit einem Laserschnitt beleuchtet. Das Bild rechts zeigt eine Verteilung senkrecht dazu, erzeugt aus der Bewegung des Laserschnittes über die ganze Teilchenwolke hinweg (Tomografie); PK-4 – Kristalline Struktur von Plasma: Auswertung der dreidimensionalen Verteilungsfunktion von der siebten Kampagne mit PK-4 auf der Internationalen Raumstation im Juli 2019. Der Strukturfaktor zeigt deutlich die wabenförmige und deshalb kristalline Struktur der gesamten Teilchenwolke auf.


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