Mapheus 5 bringt Pflanzen und Kugeln in 256 km Höhe

Am 30. Juni 2015 startete die Mobile Raketenbasis MORABA des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) die Höhenforschungsrakete Mapheus 5 um 06:55 Uhr mit vier DLR-Experimenten an Bord.

Die zwölf Meter hohe, zweistufige Rakete flog vom schwedischen Raketenstartplatz Esrange bis in eine Höhe von 253 Kilometern – bereits nach 74 Sekunden herrschte dabei für mehr als sechs Minuten Schwerelosigkeit für die Experimente aus der Materialphysik und der Biologie. Etwa 15 Minuten nach dem Start landete der Raketenteil mit den Versuchsanlagen an einem Fallschirm rund 70 Kilometer nördlich des Raketenstartplatzes und wurde per Hubschrauber geborgen (im Bild). Die gewonnenen Daten werden nun in den Laboren analysiert und interpretiert.

In den sechs schwerelosen Minuten reagierten Pflanzen auf die fehlende Erdanziehungskraft, 2.500 Stahlkugeln mit einem Durchmesser von 1,6 Millimetern kollidierten miteinander, Metallproben wurden im Flug geröntgt und schwebende Metallkugeln mit einem Laser geschmolzen.

Stoßprozesse in der Schwerelosigkeit

Allen drei Experimenten des DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum ist gemeinsam, dass sie für ihre Messungen die störenden Kräfte der Erdanziehungskraft ausschalten möchten. Mit MEGraMA 2.0 untersuchen die DLR-Wissenschaftler, wie Stoßprozesse ablaufen. Dafür wurden während des Flugs 2.500 kleine Kugeln zunächst wechselweise von acht Magneten angetrieben und durch die Schwerelosigkeit gleichmäßig in einer Plexiglasbox verteilt – eine Kamera zeichnete dann mit 165 Bildern in der Sekunde dreidimensional auf, wie die Kugeln durch Kollisionen an Geschwindigkeit verlieren und sich zueinander anordnen.

Dies wurde während der sechsminütigen Phase in Schwerelosigkeit mehrmals wiederholt, um mehrere Datensätze zu gewinnen. „Mit diesem Versuch untersuchen wir, wie Kollisionen in Granulaten ablaufen“, erläutert Prof. Florian Kargl, Wissenschaftler am DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum und wissenschaftlicher Leiter der drei beigesteuerten Experimente.

Röntgen und schwebendes Schmelzen

Im elektrostatischen Levitator (GOLD-ESL; Gravity Impact on Liquid Drops – Electrostatic Levitation) schmolzen die DLR-Wissenschaftler verschiedene Proben schwebend, das heißt ohne Berührung mit einer Tiegelwand. Dies war für die Forscher eine Premiere: „Bisher konnte diese Technologie noch nicht über mehrere Minuten in Schwerelosigkeit betrieben und getestet werden“, sagt DLR-Physiker Florian Kargl. „Mit Mapheus 5 konnten wir jetzt beweisen, dass diese hochkomplexe Levitationstechnik nicht nur im Labor auf der Erde, sondern auch in Schwerelosigkeit funktioniert.“

Ein elektromagnetischer Levitator (EML) ist bereits auf der Internationalen Raumstation ISS im Einsatz, doch können die geringen elektromagnetischen Felder selbst in Schwerelosigkeit noch einen Einfluss auf die aufgeschmolzenen Proben haben. Mit dem ESL – dem nächsten Schritt in der Entwicklung – könnten in Zukunft diese Einflüsse vermieden werden.

In der Röntgenradiographieanlage X-RISE wurden zwei Versuche zeitgleich durchgeführt: Zum einen diffundierten in einer Scherzelle in der Schwerelosigkeit Aluminium-Kupfer-Proben mit einem unterschiedlichen Kupfergehalt. Im Sekundenrhythmus wurde währenddessen mit einer Kamera der Diffusionsprozess in Echtzeit aufgezeichnet. Zum anderen untersuchten die DLR-Materialphysiker die Mikrostrukturbildung, die während der Erstarrung der Aluminium-Germanium-Proben abläuft, und dokumentierten diese mit Röntgenradiographie.

Kurz vor dem Start der Rakete wurden die verschiedenen Metallproben vollständig aufgeschmolzen und auf eine einheitliche Temperatur gebracht. Die während des Flugs aufgezeichneten Daten zur Diffusion liefern den Wissenschaftlern Erkenntnisse, mit denen sie identische Bodenexperimente vergleichen und eichen können. Bei der Erstarrung wird in der Schwerelosigkeit die durch die Erdanziehungskraft herrschende Flüssigkeitsströmung ausgeschaltet – diese Daten werden dann dazu verwendet, Materialeigenschaften präziser zu bestimmen und bestehende Erstarrungsmodelle zu überprüfen und zu optimieren.

Pflanzen spüren Schwerelosigkeit

Pflanzen spüren bereits ungefähr nach 20 Sekunden, wenn die Anziehungskraft der Erde – und ihnen somit ein Unten und Oben – fehlt. Um festzustellen, wie Pflanzen auf den Zustand der Schwerelosigkeit reagieren, schickten Wissenschaftler des DLR-Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin mehrere Tausend Exemplare von Arabidopsis Thaliana – die Acker-Schmalwand – mit der Mapheus 5 Rakete in die Schwerelosigkeit. „Die Acker-Schmalwand ist eine leicht zu züchtende und bereits gut untersuchte Pflanze, sozusagen die Labormaus unter den Blütenpflanzen“, sagt DLR-Biologe Dr. Jens Hauslage, „sie ist ein guter Modellorganismus“.

Sobald die Phase der Schwerelosigkeit endete, wurden die Pflanzen über die Zugabe von Methanol in ihrem Zustand fixiert und nach dem Flug aus der Rakete geborgen. Die pflanzlichen „Probanden“ werden von DLR-Forschern nun analysiert, aber auch an weitere Forschungsinstitute verteilt. „So erhalten wir am ehesten ein Gesamtbild aller Veränderungen, wie sich Proteine, Stoffwechsel und das Ablesen der Gene bei Pflanzen in Schwerelosigkeit verändern.“ Sollen Pflanzen einmal bei zukünftigen Missionen ins All als Nahrungsmittel und zur Sauerstoffproduktion eingesetzt werden, sei es wichtig zu wissen, wie Schwerelosigkeit die Pflanzen und ihr Wachstum beeinflusst.