Von der Materialforschung bis zur Fundamentalphysik.

Materialforschung

Etwa 90 Prozent der metallischen und halbleitenden Werkstoffe entstammen schmelzmetallurgischen Verfahren. Um die bestehenden Technologien zu optimieren oder neue zu entwickeln, brauchen die Forscher ein immer größeres Detailverständnis aller ablaufenden Vorgänge.

Das Materialdesign aus der Schmelze erfordert heutzutage effiziente Computersimulationen, damit energie- und zeitaufwendige Vorversuche im großtechnischen Maßstab verringert werden können.

In der Schwerelosigkeit werden Störkräfte in einer Schmelze ausgeschaltet, so etwa Auftrieb (Konvektion) und Ablagerung (Sedimentation) von Komponenten unterschiedlicher Dichte.

Das sind entscheidende Vorteile, um die Wechselbeziehung zwischen Erstarrungsbedingungen, Werkstoffgefüge und den daraus resultierenden Eigenschaften aufzuklären. Ein weiteres Ziel ist es, die wärmephysikalischen Eigenschaften reaktiver Metallschmelzen durch behälterfreies Prozessieren wesentlich genauer zu messen, also in der Schwebe. Die im Esa Materials Sciences Lab der ISS geplanten Forschungsarbeiten erfolgen insbesondere an industrierelevanten Schmelzen.

Fluidphysik

Die Physik der Flüssigkeiten und Gase durchdringt viele Anwendungsbereiche, in denen die Wirkung von Schwerkraft bedeutend ist. So sind auf der ISS Grundlagenuntersuchungen zu Flüssigkeitsströmungen in einer Geometrie geplant, die in Satellitentanks einer neuen Generation den Treibstofftransport durch Kapillarkräfte ermöglicht.

Bei der Zündung eines Triebwerks muss zu jedem Zeitpunkt ausreichend Treibstoff an der Düse vorhanden sein. Folglich sind Experimente unter Schwerelosigkeit notwendig mit dem Ziel, die Grenzen der Strömung aufzuklären, bevor sie instabil wird. Auf der Erde verhindert der hydrostatische Flüssigkeitsdruck genaue Messungen.

Ein weiteres Projekt betrifft die Erforschung von Strömungsvorgängen in einem Kugelspalt. Dieses geophysikalische Modell simuliert Strömungsvorgänge im flüssigen äußeren Erdkern, indem die zentrale Kraftwirkung unseres Planeten durch ein künstliches Gravitationsfeld im Kugelspalt ersetzt wird. Wissenschaftler interessieren sich hierbei für die auftretenden Strömungsmuster.

Nur unter Schwerelosigkeit kann man dabei die im irdischen Labor herrschende Vorzugsrichtung "oben unten" vermeiden. Diese Untersuchung ist als erstes Experiment im Fluid Sciences Lab von Columbus geplant.

Verbrennungsforschung

Am Beispiel der Verbrennung von Tropfen und Sprays wollen Forscher Zündmechanismen analysieren und dadurch Verfahren zur Hochdruckverbrennung flüssiger Treibstoffe verbessern. Ihr Ziel ist es, in Gasturbinen und Flugantrieben den Schadstoffausstoß bei hohem Wirkungsgrad durch möglichst magere Kraftstoffgemische zu senken.

Die Schwerelosigkeit hilft, die Basismechanismen der Verbrennung ungestört zu erforschen. Bisher erfolgen entsprechende Experimente im Fallturm Bremen, allerdings werden sich mit der Inbetriebnahme des US Combustion Integrated Rack auf der ISS neue Experimentier- und Kooperationsmöglichkeiten ergeben.

Fundamentalphysik

Die Nobelpreise für Physik sind in den vergangenen Jahren wiederholt für Entdeckungen zu Quantenphänomenen vergeben worden. Im Fall der Bose-Einstein-Kondensation ist es gelungen, Gasatome soweit abzukühlen, dass diese ihre Individualität verlieren und als Materiewelle in Erscheinung treten.

Im Labor konnte gezeigt werden, dass ein Laser mit solchen Materiewellen anstelle von Lichtwellen funktioniert. Im Fallturm Bremen wird gegenwärtig erstmalig versucht, ultrakalte Atome unter Schwerelosigkeit zu erzeugen, um die Gasatome noch weiter abzukühlen. Auf der ISS wollen Physiker längerfristig und systematisch an ultrakalten Atomen forschen, um noch tiefere Einblicke in die Quantenwelt zu bekommen.

Ein wichtiges Forschungsfeld auf der ISS stützt sich auf eine Entdeckung der Plasmakristalle durch Wissenschaftler am Max-Planck- Institut für extraterrestrische Physik im Jahr 1994. Das bereits seit über sechs Jahren laufende Forschungsprogramm auf der ISS in Kooperation mit Russland soll aufgrund der hohen wissenschaftlichen Erkenntnisse bis ins nächste Jahrzehnt ausgedehnt werden. Die bisherigen Daten aus den Weltraumexperimenten führten zu grundlegend neuen Entdeckungen.

Mit Partikeln angereicherte Plasmen sind keineswegs ein exotischer Forschungsgegenstand, sondern treten häufig in der Natur (Saturnringe, Kometenschweif) und irdischer Plasmatechnologien (Chipherstellung, Solarzellenfertigung) auf.

Ein weiterer Forschungsbereich zur Untersuchung fundamentaler Partikelwechselwirkungen wird sich apparativ auf der ISS zum Ende des Jahrzehnts erschließen. Hierbei wird das Ziel verfolgt, elementare Vorgänge bei der Planetenentstehung - die Zusammenballung von kosmischem Staub - sowie der atmosphärischen Wolkenbildung - das Wachstum von Aerosolen - zu simulieren.

(Esa/sueddeutsche.de/mcs)