Plasmakristall-Experimente auf der ISS

Normalerweise wären die Forscher im Juni nach Toulouse gereist, da sie nur von dort aus ihr Plasma­kristall-Labor PK-4 steuern können, das sich seit 2015 an Bord der Inter­nationalen Raum­station ISS befindet. Die Corona-Pandemie machte die Reise von Ober­pfaffen­hofen zum CADMOS-Kontroll­zentrum nach Frankreich jedoch unmöglich. Die monate­lang vor­bereiteten Experi­mente in der Schwere­losig­keit drohten auszu­fallen. Doch die Wissen­schaft­lerinnen und Wissen­schaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt erhielten „nahe­liegende“ Unter­stützung: Die Kollegen vom Deutschen Raumfahrt­kontroll­zentrum stellten ihre Ressourcen zur Verfügung und richteten ein Home­office der besonderen Art ein.

Inzwischen hat die Forschungs­gruppe vom DLR-Institut für Material­physik im Weltraum ihre einwöchige Versuchs­reihe erfolg­reich abgeschlossen – von Ober­pfaffen­hofen aus, unter Berück­sich­tigung sämtlicher COVID-19-Schutz­maß­nahmen. Dank der speziell einge­richteten IT- und Kommuni­ka­tions­kanäle konnten sie die Messungen am Bildschirm mitver­folgen und den Ablauf abstimmen – als ob sie im Kontroll­raum von Toulouse säßen. Die Experi­mente an Bord der ISS führte der russische Kosmonaut Anatoli Ivanishin unter Anleitung der Plasma­forscher durch.

„Das Deutsche Raumfahrt­kontroll­zentrum war ein Glücksfall für uns in Ober­pfaffen­hofen. Die Kolle­ginnen und Kollegen haben uns in dieser Ausnahme­situation wunderbar unter­stützt und hier erst­mals die wissen­schaft­liche Betreuung über­nommen. Wir freuen uns sehr, dass wir per Video- und Tonüber­tragung durch­gehend mit der Experiment­steuerung im Kontroll­zentrum von Toulouse und mit Kosmonaut Anatoli Ivanishin auf der ISS verbunden waren“, sagt Mikhail Pustylnik, Projekt­wissen­schaftler für PK-4 in der Forschungs­gruppe Komplexe Plasmen am DLR-Institut für Material­physik im Weltraum.

Die erfolgreiche Zusammen­arbeit ist auch ein Resultat der lang­jährigen Erfahrungen: Die Forschungs­gruppe führte ihre mittler­weile zehnte Mess­kampagne in der Schwere­losig­keit durch und verbucht somit ein rundes Jubiläum. Mit dem Betrieb des europäischen Columbus-Moduls betreut das Deutsche Raumfahrt­kontroll­zentrum bereits die ESA-Experi­mente auf der ISS und kennt das PK 4-Labor.

Etwa 99 Prozent der sichtbaren Materie des Weltalls besteht aus Plasma. Wenn in dem leit­fähigen Gas zusätz­lich Staub­teilchen oder andere Mikro­partikel enthalten sind, werden diese hoch aufge­laden und es entsteht ein komplexes Plasma. In der Schwere­losig­keit können sich die Teilchen frei im Raum ausbreiten und bilden geordnete drei­dimen­sionale Kristall­strukturen. Die Teilchen verhalten sich dabei ähnlich wie Atome in einem Fest­körper oder einer Flüssig­keit. Die Auf­zeich­nungen des Plasma­kristall-Labors PK-4 machen diese Vorgänge sichtbar. Mit jeder neuen Experi­ment­reihe gewinnt die Plasma­forschung funda­mentale Erkennt­nisse für das Lehr­buch­wissen der Zukunft. Daraus lassen sich viel­fältige Anwendungen ableiten, unter anderem Plasma­techno­logien für die Mikrochip-Produktion, den medizi­nischen Bereich oder für künftige Raum­fahrt­missionen.

Die aktuellen Strömungs­versuche mit PK-4 könnten zum Beispiel dabei helfen, die Ausbrei­tung von Schock­wellen besser zu verstehen. ISS-Besatzungs­mitglied und Experi­mentator Ivanishin heizte die Mikro­teilchen mit kurzen elektrische Pulsen auf, um sichtbar zu machen, wie sich die kinetische Energie bei einer Schockwelle ausbreitet und welche Wechsel­wirkungen auf Teilchen­ebene statt­finden. Das Einsetzen und Abklingen von turbu­lenten Strömungen wurden in mehreren Versuchen ergänzend unter­sucht.

Mithilfe von Laserstrahlen erzeugte das Experi­ment­team außerdem Scher­flüsse in der komplexen Plasma-Flüssig­keit. Die Messungen bauen auf den Ergeb­nissen der vergangenen Experi­ment­reihe auf und geben Aufschluss über die Zähigkeit von Flüssig­keiten. Neben der Ober­flächen­spannung gehört diese Viskosität zu den wichtigsten Eigen­schaften einer Flüssigkeit. Zusätzlich unter­suchten die Wissen­schaftler die dynamischen Strukturen von Plasma­kristallen. Ivanishin nutze dazu eine neue Experi­ment­möglich­keit, um Plasma­kristalle zu zerstören. Er schaltete den Strom an der Plasma­kammer aus, um die Gas­ent­ladung zu stoppen und schaltete den Strom dann sofort wieder an. In der tomo­graphischen 3D-Aufzeichnung können die Forscher genau nach­voll­ziehen, wie die Plasma­kristalle dadurch schmelzen und dann erneut kristal­li­sieren, wenn die Ladung wieder aktiviert wird.

DLR / RK

Weitere Infos

• Institut für Materialphysik im Weltraum, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Oberpfaffenhofen
• Experiment PK-4 Plasma Kristall, European Space Agency