Plasmaforschung auf der Raumstation erfolgreich

Die Plasmakristall-Experimente zählen zu den erfolgreichsten Forschungsarbeiten auf der Internationalen Raumstation ISS. Sie verschaffen grundlegende Erkenntnisse, die insbesondere der Festkörper- und Flüssigkeitsphysik dienen, aber auch Anwendungen in der Weltraumphysik, der Plasmaphysik und Plasmatechnologie sowie der Fusionsforschung ermöglichen.

Das Plasmakristall-Labor PKE-Nefedov gehörte zu den ersten naturwissenschaftlichen Forschungslaboren auf der ISS, seit 2014 ist im Columbus-Modul der Nachfolger PK-4 in Betrieb. Die Forschungsgruppe Komplexe Plasmen des Deutschen Zentrums für Luft– und Raumfahrt (DLR) zählt mehr als 70 wissenschaftliche Publikationen auf, die den Wissenszuwachs aus den Experimenten der letzten 15 Jahre belegen. Ende November trafen sich am DLR in Oberpfaffenhofen die internationalen Projekt- und Forschungspartner zu einem umfassenden Symposium, um die bisherigen Ergebnisse von PK-4 vorzustellen und die künftigen Aktivitäten zu planen.

Schwerelosigkeit für Plasma-Zustände

Die ISS bietet ideale Voraussetzungen für die Untersuchung von Plasmakristallen beziehungsweise komplexen Plasmen. Plasma ist elektrisch geladenes Gas, das auf der Erde nur selten auftritt, etwa bei einem Blitz. Im Gegensatz dazu befindet sich 99 Prozent der sichtbaren Materie im Weltraum im Plasmazustand. Wenn im ionisierten 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 – mit dem Vorteil, dass im Plasma jeder Mikropartikel einzeln und wie in Zeitlupe beobachtet werden kann. Dies ermöglicht ganz neue Einblicke in die Physik.

Anhand der PK-4-Aufzeichnungen können die Forscher daher auf atomarer Ebene verfolgen, wie ein Festkörper schmilzt, wie sich Wellen in Flüssigkeiten ausbreiten oder Strömungen verändern. Komplexes Plasma ist ein neuer Aggregatszustand der Weichen Materie, neben Kolloiden, Polymeren, Schäumen, Gelen, granularen Medien oder auch Flüssigkeitskristallen – eine Erkenntnis, die erst die Ergebnisse unter Schwerelosigkeit zu Tage gebracht haben.

Wissens- und Technologietransfer

Mittels Technologietransfer erschließt die Plasmaforschung auch völlig neue Anwendungsbereiche. Ausgangspunkt ist das Know-how aus der bemannten Raumfahrt – miniaturisierte, bedienungsfreundliche und zugleich hocheffiziente Labore zu entwickeln und zu bauen, unter Berücksichtigung der speziellem Sicherheitsaspekten für die Astronauten. Ein besonderer Transfer vom Weltraum zur Erde ist den Wissenschaftlern (damals Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik MPE, heute DLR) bereits mit der Herstellung einer Plasmaquelle für den medizinischen Einsatz gelungen. Dadurch konnte die weltweit erste klinische Studie zur Nutzung von Plasma zur Heilung chronischer Wunden durchgeführt werden – ein Meilenstein für die Plasmamedizin. Dieses junge, schnell wachsende Forschungsfeld verbindet Erkenntnisse aus der Plasmaphysik mit der Plasmachemie, Mikrobiologie und Medizin.

„Nach den Erfolgen mit der Plasmamedizin am MPE arbeitet die Forschungsgruppe am DLR jetzt an neuen Folgeprojekten. Die sogenannten Kalten Atmosphärischen Plasmen aus dem medizinischen Bereich können wir auch für die Raumfahrt nutzbar machen – speziell zur Sterilisierung von Oberflächen und Bauteilen, etwa von Marsrovern, die nach Leben suchen sollen. Der Einsatz von Plasma könnte in Zukunft auch die Hygiene an Bord der ISS wesentlich erleichtern“, erklärt Dr. Hubertus Thomas, Leiter der DLR-Forschungsgruppe Komplexe Plasmen. Die Projekte zur Nutzung der Kalten Atmosphärischen Plasmen werden durch das Bayerische Wirtschaftsministerium gefördert.

Internationale Zusammenarbeit

Das aktuelle Forschungsprojekt und Plasmalabor PK-4 auf der ISS ist eine europäisch-russische Kooperation mit Forschungspartnern auf der ganzen Welt. Entsprechend großen Anklang fand nun das PK-4-Symposium in Oberpfaffenhofen mit rund 60 Teilnehmern: Die DLR-Forschungsgruppe Komplexe Plasmen begrüßte das internationale Wissenschaftlerteam mit Beteiligten der europäischen Weltraumbehörde ESA, der russischen Raumfahrtbehörde ROSCOSMOS, der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA/National Science Foundation sowie dem Raumfahrtmanagement des DLR.

In einem besonderen Gastvortrag berichtete auch Kosmonaut Alexandr Samokutyaev von seiner Arbeit auf der ISS. Zusammen mit Kollegin Elena Serova hatte der Russe das Plasmakristall-Labor im November 2014 installiert und für den ersten Einsatz vorbereitet: „Die wissenschaftlichen Experimente auf der Raumstation sind sehr wichtig und für Astronauten eine zentrale Aufgabe an Bord, da sie besondere Erkenntnisse für die Raumfahrt und die Menschen auf der Erde liefern. Umso mehr freue ich mich, dass ich mit PK-4 einen Beitrag dazu leisten konnte.“

Neue Plasmakammern für die ISS

Die Fachgemeinschaft nutzte des Symposium auch, um das langfristige Programm von PK-4 zu erörtern und auszubauen. Im nächsten Jahr sind drei neue Versuchsreihen mit dem Plasmakristall-Labor geplant, das bis mindestens 2019 auf der ISS betrieben werden soll. „Wir freuen uns, dass nach den äußerst erfolgreichen Experimenten PKE-Nefedov und PK-3 Plus mit PK-4 die Möglichkeit besteht, die Plasmakristallforschung auf der ISS in den kommenden Jahren fortzusetzen. Das Symposium hat einmal mehr gezeigt, wie vielfältig dieses Forschungsgebiet ist und dass deutsche Wissenschaftler hier in einem internationalen Umfeld an vorderster Front forschen“, sagt Dr. Thomas Driebe vom Raumfahrtmanagement des DLR im Rahmen der Veranstaltung.

Parallel zu PK-4 entwickeln die Plasmaforscher bereits zwei neuartige Plasmakammern, die den wissenschaftlichen und technischen Anschluss an PK-4 und die vorangegangenen Projekte bilden. Der Experimentaufbau von EKoPlasma soll 2020 auf die ISS gebracht werden und besteht aus einer zylindrisch geformten „Zyflex-Kammer“ und einer 12-flächigen „Dodakaeder-Kammer“. Diese einzigartigen Plasmakammern werden es der DLR-Forschungsgruppe ermöglichen, weitere Forschungs- und Anwendungsfelder der komplexen Plasmen zu erschließen.

Betreiber und Hersteller

Das PK-4-Labor ist eine Kooperation der europäischen Weltraumorganisation ESA und der russischen Raumfahrtbehörde ROSKOSMOS. Die russische Seite, wissenschaftlich beteiligt über das Joint Institute for High Temperatures (JIHT) der russischen Akademie der Wissenschaften, ist zuständig für den Transport des Labors, den Transport der Videodaten zurück zur Erde und stellt die Crew-Zeit. Auch die Entwicklung des PK-4-Labors wurde in engem Kontakt mit dem JIHT durchgeführt. Die experimentelle Hardware ist eine Eigenentwickung der Forschungsgruppe (am MPE) in Zusammenarbeit mit der OHB System AG (vormals Kayser-Threde GmbH), die auch für die Infrastruktur von PK-4 zuständig war. Zusätzliche Finanzierung des Projekts in Deutschland erfolgte durch das Raumfahrtmanagement des DLR und die Max-Planck-Gesellschaft.

Auf den Bildern

• EkoPlasm: Blick auf die zwei neuen Plasmakammern des EKoPlasma Projektes; im Vordergrund ist die fast kugelförmige Dodekaeder-Kammer und im Hintergrund die ZyFlex-Kammer mit jeweils violettem Plasmaleuchten zu sehen. Das neuartige Plasmalabor soll 2020 auf die ISS gebracht werden.
• Schwebendes Plasmakristall: In der ZyFlex-Kammer wurde ein zweidimensionaler Plasmakristall erzeugt – hier schwebt es wie eine „rote ovale Wolke“ oberhalb der unteren Elektrode.
• Blick ins Columbus-Labor der ISS: Das europäische Columbus-Modul der ISS ist ein Wissenschaftslabor. Das Bild sendete ESA Astronaut Alexander Gerst während seiner Blue Dot-Mission 2014 mit dem Kommentar: „Unser mächtiges europäisches Wissenschaftslabor im All. Die Forschung hier können wir nirgendwo auf der Erde durchführen!“
• Plasmakristall-Experiment: Plasmakristall-Experimentreihe PK-4: Originalbild der Plasma-Partikelbewegung im Scherfluss, hervorgerufen durch Laseranregung.
• Grafik Plasmapartikelwolke: Plasmakristall-Experimentreihe PK-4: Rekonstruierte Partikelbewegung in der gesamten dreidimensionalen Partikelwolke mit Scherfluss, hervorgerufen durch Laseranregung.
• Kosmonaut Alexandr Samokutyaev: Der russische Kosmonaut Alexandr Samokutyaev berichtete auf dem 1. PK-4-Symposium am DLR in Oberpfaffenhofen von seiner Arbeit an Bord der ISS. Während seines sechsmonatigen Aufenthalts installierte er im November 2014 das PK-4-Labor im Columbus-Modul.

Das DLR zeigt hier ein Video von der Plasmaforschung auf der ISS (mittlere Auflösung).