Wozu werden Experimente in der Schwerelosigkeit durchgeführt?
Auf der Erde beeinflusst die Schwerkraft viele physikalische, biologische und chemische Phänomene und stört wiederum andere, wodurch eine Lösung bestimmter wissenschaftlicher Fragestellungen behindert wird. Die Auswirkungen der Schwerkraft machen die Durchführung von Experimenten oder die Analyse der Ergebnisse schwierig und manchmal sogar unmöglich. Anhand von Experimenten, die unter Mikrogravitationsbedingungen erfolgen, können Wissenschaftler den tatsächlichen Einfluss der Schwerkraft auf verschiedene Phänomene bestimmen und theoretische Modelle entsprechend anpassen.
In der angewandten Physik ist die Schwerelosigkeit eine besondere Umgebung, um nach innovativen Lösungen zu suchen, mit denen sich industrielle Prozesse verbessern lassen.
Letztlich ist es sehr wichtig, Ausrüstungen oder Geräte, die für einen Betrieb in Schwerelosigkeit (an Bord der Raumstation oder von Satelliten) bestimmt sind, vor ihrer Beförderung in den Weltraum testen und qualifizieren zu können.
Von der Auswahl bis zum Flug: Ablauf eines Experiments
Phase 1: Auswahl
Die Auswahlphase eines wissenschaftlichen Experiments beginnt mit Ausschreibungen für Parabelflüge, die jedes Jahr von Raumfahrtagenturen für Forschungslabors durchgeführt werden. Jedes Experiment, das aufgrund seiner wissenschaftlichen Relevanz ausgewählt wurde, wird für eine bestimmte Kampagne geplant. Neben der Auswahl durch Luft- und Raumfahrtagenturen kann sich jedes Forschungs- oder Industrieinstitut direkt an Novespace wenden, um eine Möglichkeit für einen Flug zu finden.
Phase 2: Entwicklung
Etwa sechs Monate vor dem Datum der Flüge nehmen die Ingenieure von Novespace Kontakt mit den Labors auf, um die verschiedenen Entwicklungsphasen ihrer Experimente zu betreuen.
Die erste Phase ist die Anordnung. Sie wird unter Einhaltung der technischen Anforderungen durchgeführt, z. B. hinsichtlich Masse, Schwerpunkt, Befestigungssystem, Beschleunigungswiderstand, Vibrationsfestigkeit, elektrischer Ausrüstung, Gefahrgut usw.
Diese Phase endet ca. 11 Wochen vor dem Flug mit der Einreichung des Experimentiervorschlags (Formular), in dem die Merkmale des Experiments, wie z. B. die verschiedenen Systeme, ihre Funktionsweise, die verwendeten Produkte, das elektrische System, die Verfahren, Abmessungen, der Platzbedarf, die mechanische Festigkeit usw. detailliert aufgeführt sind.
Phase 3: Aufbau
Danach folgt die Aufbauphase des Experiments, d. h. der Zusammenbau entsprechend den technischen Anforderungen.
Phase 4: Test und Validierung
Dann kommt eine Test- und Validierungsphase des Experiments, in der die Experimentatoren seine einwandfreie Funktionsweise prüfen und die Sicherheitsvorrichtungen sowie die Einhaltung des Experimentiervorschlags validieren.
Schließlich wird das Experiment in der Woche vor den Flügen zu Novespace transportiert und durchläuft eine Reihe von Kontrollen, bevor es zur Installation an Bord freigegeben wird.
Phase 5: Flugvorbereitung
Sobald sich die Experimentanlagen im Flugzeug befinden, werden sie getestet, um sicherzustellen, dass der Transport keine Störungen verursacht hat. Das ist die Vorflugphase.
Vor jedem Flug einer Kampagne werden die Experimente morgens von Ingenieuren begutachtet, und nach der Landung findet ein Debriefing statt. Jeden Nachmittag können die Experimentatoren Änderungen an den Experimentanlagen vornehmen. Am Ende einer Kampagne werden die Experimente ausgebaut und wieder zu ihrem ursprünglichen Labor zurücktransportiert.
Siehe auch Wissenschaftliche Flugkampagnen
Hohe Sicherheitsanforderungen an Experimente
Die Experimentatoren haben die Aufgabe, ihr Experiment zu analysieren, um die verschiedenen damit verbundenen Risiken zu identifizieren, sie entsprechend ihrer Schwere zu klassifizieren und durch den Einbau einer bestimmten Anzahl von Sicherheitsbarrieren zu kontrollieren.
Außerdem müssen sie nachweisen, dass ihr Experiment und ihre Verfahren den von Novespace definierten Anordnungsanforderungen entsprechen. Diese Arbeit muss dokumentiert werden und erfolgt mit Unterstützung eines Ingenieurs von Novespace.
Ein solch hohes Sicherheitsniveau, wie es bei Parabelflügen der Fall ist, erfordert besondere Anstrengungen seitens der Experimentatoren, die dafür sorgen müssen, ihr Experiment und die damit verbundenen Risiken sehr detailliert darzustellen, sämtliche Regeln einzuhalten und die verschiedenen angeforderten Sicherheitselemente anzubringen. Es sei darauf hingewiesen, dass ein Experiment nur dann durchgeführt werden kann, wenn die zuständigen Abteilungen von Novespace davon überzeugt sind, dass der Flug absolut sicher durchgeführt werden kann.
Beispiele für Forschungsthemen unter Schwerelosigkeit
Grundlagenphysik
- Plasmaphysik
- Aggregationsphänomene
- Verhalten von Aerosolen
- Gas-Staub-Wechselwirkungen
Materialwissenschaft
- Untersuchung von Fusionsphänomenen
- Stabilität von Mikrostrukturen
- Kapillarität von körnigen Medien
Verbrennungsphysik
- Aerosolverbrennung
- Rußverhalten
- Flammenausbreitung
- Tröpfchenverbrennung
- Verdampfung von Kraftstoffen
Strömungsphysik
- Diffusion, Sieden, Dynamik und Stabilität
- Viskosität, Grenzflächenphänomene, Emulsionen
- Wärmeübertragung, Verdampfung
- Dynamik von Blasen und Tröpfchen
Physiologie
- Kardiovaskuläre Funktion
- Untersuchung der Flüssigkeitsverschiebung („fluid shift“)
- Atmungsfunktion
- Muskelleistung
- Körperhaltung und Fortbewegung
- Skelett-System
- Vestibularfunktion
- Räumliche Orientierung
- Kognitive Leistungsfähigkeit
- Untersuchung der Klein- bzw. Feinmotorik
- Reisekrankheit
Biologie Pflanzenphysiologie
- Bewegungen von Statolithen
- Untersuchungen des Gravitotropismus und gravitroper Rezeptoren
Zell- und Entwicklungsbiologie
- Tierphysiologie
- Alterungsprozess
- Knochenzellstudien
- Elektrophysiologische und morphologische Eigenschaften menschlicher Zellen
Technologie
- Validierung von Experimenten für die Raumstation
- Erprobung weltraumgestützter biologischer Analysegeräte
- Wasserreinigungssysteme
- Wärmeableitsysteme
Eine breite Palette von Instrumenten und Ausrüstungen für den Einsatz im Flugbetrieb
Unter Berücksichtigung der technischen und sicherheitstechnischen Anforderungen steht den Forschern eine breite Palette wissenschaftlicher Instrumente und laborüblicher Ausrüstungen für ihre Experimente zur Verfügung, von denen hier einige beispielhaft aufgeführt sind.
Experimentanlagen
- Sicherheitsbehälter
- Öfen
- Brennkammern
- Zentrifugen
- Inkubatoren
- Druckanlagen
- Vakuumpumpen
Messgeräte
- Rheometer
- Laser
- Thermoelemente
- Drucksensoren
- Durchflussmesser
- Pyrometer
Optische Instrumente
- Mikroskope
- Kameras
- Spektrometer
- Laser
Medizinische Geräte
- Ultraschallgerät
- Dopplergerät
- Elektrokardiograf
- Elektromyogramm
- Plethysmograf
- Monitore
Serviceleistungen
- Experimenthalterungen (Racks)
- Schaltkästen
- Druckgasflaschen
- Gasableitungssystem
Ein einzigartiges Volumen für Experimente
Bei Parabelflügen können auch Ausrüstungen mit besonders großem Platzbedarf eingesetzt werden, wie z. B. Laufbänder oder Fahrradergometer. Die übliche Anzahl der Experimente an Bord (10 bis 15) ist nicht statisch und kann für großvolumige Experimente reduziert werden. Das Flugzeug wurde bereits für ein einziges Experiment eingesetzt (Entfaltung einer Satellitenantenne für die Raumfahrtagentur NASDA, die heutige JAXA). Dieser große Spielraum hinsichtlich des Platzbedarfs stellt eine einzigartige Gelegenheit für die Forscher dar.
