Parabelflüge gelten als „Brücke“ ins All und dienen insbesondere als Testplattform von Experimenten für die Internationale Raumstation ISS. Vom 02. bis 13. September 2019 kamen jetzt Wissenschaftler und Ingenieure deutscher Hochschulen und Forschungseinrichtungen zum 34. Mal kamen ins südfranzösische Bordeaux, um an Bord des europaweit einzigen Parabelflugzeugs A310 ZERO-G unter der „Flagge“ des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Schwerelosigkeit zu arbeiten.
Forschungsflugzeug A310 ZERO-G
A310 ZERO-G heißt das aktuell genutzte Forschungsflugzeug, das im April 2015 zu seinem ersten wissenschaftlichen Parabelflug startete. Die Gründe, warum Parabelflugkampagnen so interessant für die Wissenschaft sind, waren aber vor 20 Jahren dieselben wie heute: „Auf der Erde herrscht immer und überall Schwerkraft. Aber was passiert genau in biologischen oder nicht-biologischen Systemen, wenn die Schwerkraft keinen Einfluss mehr hat? Der Parabelflug erlaubt über das spezielle Flugmanöver, die Schwerkraft für eine kurze Zeit lang `auszusetzen‘, weil die wirkenden Kräfte sich gegenseitig aufheben. Das ist perfekt, um die vielen offenen Fragen in der Biologie, der Humanphysiologie, Materialforschung und Physik zu klären, die wir hier auf der Erde nicht beantworten können – und damit möglichst gut gerüstet zu sein, wenn es Richtung Exploration geht“, erklärt DLR-Parabelflugprogrammleiterin Katrin Stang.
Experimente in Schwerelosigkeit quer durch die Wissenschaften
14 unterschiedliche Teams nutzten die Vorbereitungs- und die anschließende Flugwoche, um besonderen Fragestellungen aus den Bereichen (Grundlagen-) Physik, Biologie, Technologie und Materialwissenschaften sowie Humanphysiologie auf den Grund zu gehen. Als prominenter Experimentator war Matthias Maurer an Bord. Der deutsche ESA-Astronaut war Teil des FLUMIAS-Teams der Universitäten in Frankfurt und Marburg sowie von Airbus in Bremen. FLUMIAS ist ein Fluoreszenz-Mikroskop, mit dem man Zellen und Gewebe, unter anderem Pflanzenzellen, lebend und in hoher dreidimensionaler und zeitlicher Auflösung in der Schwerelosigkeit beobachten kann.
„Pflanzen sind Modellorganismen für die Wahrnehmung und Anpassung an die Schwerkraft. Sie spielen auch im All eine wesentliche Rolle als Nahrungs- und Sauerstoffquelle sowie als Abfallregenerator. Wir haben im Parabelflug die Wahrnehmung und frühe Signalweiterleitung nach Schwerkraftänderungen untersucht“, erklärt Matthias Maurer. „Für mich war es besonders interessant, wie schnell die Pflanzen auf die Schwerelosigkeit reagieren und Botenstoffe ausschütten. Ich freue mich schon darauf, FLUMIAS in wenigen Jahren auf der Raumstation zu sehen und eventuell sogar selbst in Betrieb zu nehmen.“
FLUMIAS von Airbus gebaut
FLUMIAS wurde von Airbus im Auftrag des DLR Raumfahrtmanagements für den Einsatz beim Parabelflug und auf TEXUS-Forschungsraketen gebaut und bietet Wissenschaftlern seit 2014 die Möglichkeit, an lebenden Zellen in Schwerelosigkeit zu forschen. Auf der Internationalen Raumstation ISS kam im Jahr 2018 zudem ein Demonstrator eines weiterentwickelten FLUMIAS – hier in der Größe eines Schuhkartons – erfolgreich und erstmalig für das sogenannte „Live-Cell-Imaging“ zum Einsatz. „Für die Zukunft steht das Projekt ´FLUMIAS-ISS´ an, das mit einer perfektionierten Form des Mikroskops Forschern aus Deutschland – und in Kooperation mit der ESA auch aus anderen Ländern – zur Verfügung stehen soll“, erläutert DLR-Parabelflugprogrammleiterin Katrin Stang.
Matthias Maurer – selbst promovierter Werkstoffwissenschaftler – hat außerdem als „assoziiertes Teammitglied“ beim Experiment „Flying OCULUS“ (Optical Coatings for Ultra Lightweight Robust Spacecraft Structures) mitgearbeitet: Entwickelt in einer Kooperation des Instituts für Raumfahrttechnik der TU Braunschweig mit der INVENT GmbH und dem Fraunhofer IST wurde ein Prozess entwickelt, um die Oberflächen von Kohlenstoff-Faserverbund (CFK)-Werkstoffen zu metallisieren. Ziel ist hierbei, weltraumtaugliche, leichte und kostensparende Spiegelsysteme herzustellen, die zum Beispiel bei Weltraumteleskopen eingesetzt werden können. „Wir haben beim Parabelflug das Konzept und die Mechanik der Entfaltung eines Leichtbauspiegels mit 75 Prozent Gewichtsreduktion im Vergleich zu konventionellen Spiegelsystemen in der Raumfahrt getestet, der in einem CubeSat-Kleinsatelliten eingebaut war“, sagt Maurer. „Leichtbau ist ein Schlüsselthema für die Raumfahrt. Denn jedes Kilogramm kostet mehr als 10.000 Euro, um es in den Weltraum zu bringen. Das System hat in Schwerelosigkeit erfolgreich funktioniert.“
Vom DLR selbst waren das Institut für Materialphysik im Weltraum aus Köln, in Kooperation mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), mit einem Experiment zum 3D-Druck in Schwerelosigkeit und das Institut für Robotik und Mechatronik aus Oberpfaffenhofen bei München mit ECOS, einem Experiment für teleoperierte Anwendungen („Mensch-Maschine-Interaktion“) an der Kampagne beteiligt. Bei ECOS geht es darum, anstelle eines Joysticks zur Steuerung eines Roboterarms im All eine Schnittstelle zu nutzen, die die Muskelaktivität elektrisch erfasst und durch die Kontraktion verschiedener Muskelgruppen Steuersignale erzeugt. Diese Technologie ist neben der Teleoperation auch für prothetische Anwendungen interessant.
Parabelflug: Wertvoll für die Forschung
Parabelflüge sind die einzige Möglichkeit, auf der Erde beziehungsweise in ihrem direkten Umfeld in Schwerelosigkeit zu forschen, wenn Menschen ins Spiel kommen. Andere Experimente können auch in Falltürmen oder Forschungsraketen durchgeführt werden. Deutsche Wissenschaftler nutzten Parabelflüge schon seit den 1980er-Jahren, damals noch innerhalb des ESA-Programms oder über Kooperationen mit anderen Raumfahrtnationen.
Auf der ersten eigenständigen DLR-Kampagne vor 20 Jahren – im Dezember 1999 – mit acht wissenschaftlichen Experimenten waren u.a. die Vor- und Begleitexperimente für das erste Plasmakristall-Experiment auf der Internationalen Raumstation ISS (2001-2005) mit an Bord: „Die Versuche im Jahr 1999 legten mit die Basis für die später sehr erfolgreiche Reihe von deutsch-russischen Plasmakristall-Experimenten auf der ISS“, erläutert Katrin Stang. Auf der 34. Kampagne war nun ein neues Experiment vom DLR Institut für Materialphysik im Weltraum an Bord, um die Forschung im Bereich der Plasmakristalle fortzusetzen.
DLR-Parabelflugkampagne
Die Firma Novespace organisierte im Auftrag der europäischen Raumfahrtagenturen ESA, CNES und DLR die Forschungsflüge bis 2014 mit einem umgebauten Airbus A300 ZERO-G, seit 2015 kommt dafür der ehemalige „Kanzler-Airbus“ A310-304 VIP als sein Nachfolger „Airbus A310 ZERO-G“, zum Einsatz. Eine DLR-Parabelflugkampagne besteht in der Regel aus drei Flugtagen mit zirka vier Flugstunden, an denen jeweils 31 Parabeln geflogen werden. Dabei steigt das Flugzeug aus dem horizontalen Flug steil nach oben, drosselt die Schubkraft der Turbinen und folgt dabei der Flugbahn einer Parabel. Während jeder Parabel herrscht für etwa 22 Sekunden Schwerelosigkeit. Insgesamt stehen bei einer Flugkampagne etwa 35 Minuten Schwerelosigkeit – im Wechsel mit normaler und nahezu doppelter Erdbeschleunigung – zur Verfügung, die Forscher für ihre Experimente nutzen können.
Genutzt wird die von der französischen Firma Novespace angebotene Fluggelegenheit jeweils ein- bis zweimal jährlich für wissenschaftliche Kampagnen des DLR, der Europäischen Weltraumagentur ESA und der französischen Raumfahrtagentur CNES. Ein besonderer Vorteil für die Wissenschaftler und Ingenieure besteht darin, dass sie ihre vertrauten Laborgeräte verwenden können. Die Instrumente werden eigenhändig in die sogenannten „Racks“ (Halterungen) eingebaut, und die Wissenschaftler können auf der Kampagne die Experimente an Bord selbst durchführen und genauso kontrollieren wie in ihrem Labor auf der Erde. Parabelflüge finden zudem regelmäßig und zu kalkulierbaren und verlässlichen Terminen statt.
