Raumfahrt: Luxus Raumstation

Vor einem Jahr wurde das europäische Labor „Columbus“ an die Internationale Raumstation ISS angedockt. Zwölf Jahre hatte die Konstruktion auf der Erde gedauert und Kosten von 1,4 Milliarden Euro verursacht. Das Modul ist so aufgebaut, dass bis zu drei Astronauten dort zeitgleich Experimente in der Schwerelosigkeit betreuen können. Doch die Realität sieht anders aus. Die dreiköpfige Stammbesatzung auf der ISS muss die Station am Laufen halten und hat kaum Zeit für Forschung.

Die Situation soll zwar etwas besser werden, wenn von Mai an sechs Raumfahrer ständig auf der ISS leben, doch für viele Wissenschaftler bleibt das Labor in 360 Kilometern Höhe unerreichbar: Die Plätze in den Experimentschränken sind sehr begehrt, es dauert Jahre bis eine Zusage kommt und für Transport sowie Betreuung der Versuchsaufbauten sind mehrere 10 000 Euro pro Kilogramm zu bezahlen.

Die technischen Möglichkeiten, mit denen bis zum Start von Columbus Versuche in der Schwerelosigkeit gemacht wurden, sind deshalb nach wie vor enorm gefragt. Die beiden Texus-Forschungsraketen, die im Frühjahr in der Nähe der nordschwedischen Stadt Kiruna in den Himmel geschossen werden, sind längst ausgebucht. Die Abkürzung „Texus“ steht für „Technologische Experimente unter Schwerelosigkeit“, dem mit 32 Jahren weltweit ältesten Raketenprogramm für wissenschaftliche Versuche dieser Art.

Wenn ein Astronaut vorbeikommt, ist die Schwerelosigkeit futsch

Die Geschosse steigen bis zu einer Höhe von 250 Kilometern auf und beschreiben dabei eine parabelförmige Flugbahn. Von dem Moment an, wenn der Schub eingestellt wird bis zu dem Zeitpunkt, in dem sich der Bremsfallschirm öffnet, wirken kaum äußere Kräfte auf den Flugkörper ein. „Mikrogravitation“ sagen Forscher dazu. Im besten Fall ist in den Raketen die Wirkung der Schwerkraft dann nur noch ein Hunderttausendstel so groß wie auf der Erdoberfläche.

„Dieser Wert wird nur noch von Versuchen im Fallturm unterboten, wo die Größe der Schwerkraft auf ein Millionstel sinkt“, sagt Otfried Joop vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Bonn. Auf der ISS hingegen schaffe man meist nur ein Zehntausendstel der irdischen Schwerkraft. „Da genügt es schon, dass ein Astronaut im benachbarten Modul vorbeiläuft oder eine der Steuerdüsen zündet – die Auswirkungen dieser kleinen Beschleunigungen auf den Grad der Schwerelosigkeit sind enorm.“

Anders in den Texus-Raketen. Dort gibt es sechs Minuten lang fast völlige Schwerelosigkeit. Gerhard Zimmermann vom Aachener Materialforschungsinstitut „Access“ hat deshalb schon mehrere Versuche mithilfe der Raketen gemacht. Im Mai startet sein viertes Experiment. „Wir wollen herausfinden, wodurch das Wachstum von Kristallen in einer Schmelze beeinflusst wird“, sagt der Wissenschaftler. Besonders interessant für sein Team ist der Unterschied zwischen ungerichtetem und gerichtetem Wachstum. Letzteres führt dazu, dass auch die Materialeigenschaften in den unterschiedlichen Richtungen des Raumes verschieden sind. „Das macht man sich zum Beispiel beim Turbinenbau zunutze, wo die einzelnen Schaufeln in Längsrichtung enorm belastet werden“, erläutert Zimmermann.

Die Schmelzkammer ist so klein wie die Sim-Karte eines Handys

„Führt man solche Kristallisationsversuche auf der Erde aus, trennen sich die festen und flüssigen Bestandteile aufgrund des Dichteunterschiedes – die Kristalle sinken ab und ihr Wachstum lässt sich kaum studieren“, macht er das Dilemma der Grundlagenforscher deutlich. „In der Schwerelosigkeit bleiben sie an Ort und Stelle und können besser beobachtet werden.“ Direkt zuschauen können die Wissenschaftler während des Texus-Fluges trotzdem nicht. Im Frachtraum der Rakete ist neben den Experimenten nur Platz für Videokameras. Abzüglich Brennstoffkammer und Steuerelektronik bleiben in dem 12 Meter langen Geschoss nur etwas über vier Meter für alle Versuchscontainer. Der Zylinder des Access-Teams ist gerade einen halben Meter lang. Der meiste Platz davon geht für Schmelzofen, Kameras und Batterien drauf, denn die Geräte brauchen viel Strom. Die Schmelzkammer selbst ist mit ein mal zwei Zentimetern Länge und einem Millimeter Breite nur so groß wie die Sim-Karte eines Handys.

Um Energie zu sparen, wird darin auch kein Metall geschmolzen, sondern eine durchsichtige Mischung aus Alkohol und Kampfer. Diese verhält sich beim Übergang von flüssig zu fest sehr ähnlich, doch ihr Schmelzpunkt liegt bei nur 60 Grad Celsius. Während des Experiments verfolgt die Kamera mithilfe eines Mikroskopobjektivs, wie die Kristalle wachsen. Anfangs sind sie noch wenige tausendstel Millimeter klein, nach sechs Minuten bis zu einem zehntel Millimeter groß.

„Die Texus-Raketen sind für unsere Versuche optimal“, sagt Zimmermann. Von der ersten Idee bis zum Experiment in luftiger Höhe vergingen zwei bis drei Jahre, berichtet der Wissenschaftler. „Auf der ISS würde es deutlich länger dauern, weil viele Absprachen mit den Raumfahrtagenturen Nasa und Esa nötig sind.“ Die Texus-Versuche sind auch preiswerter, pro Kilogramm Experimentierlast sind nur rund 10 000 Euro fällig.

Allerdings können Tests auf der Raumstation individuell von Astronauten betreut werden. Damit sind auch komplexere Aufbauten möglich, die zudem über mehrere Stunden oder gar Tage laufen können. Zimmermann arbeitet zurzeit mit mehreren Kollegen an einem ISS-Forschungsmodul für Schmelzen. In zwei bis vier Jahren, wird es laufen, hofft er.

„Ich werde aber auch weiterhin auf Raketenexperimente setzen“, sagt er. „Die bisherigen Ergebnisse sind sehr gut und die Technik arbeitet zuverlässig.“