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
