22 Sekunden. So viel Zeit bleibt Christina Knapek, um ihr Experiment in der Schwerelosigkeit zu erproben. In dieser kurzen Zeitspanne kann ihr Team die neuartige Laboreinheit zur Plasmaforschung testen und erste wissenschaftliche Untersuchungen durchführen. Möglich wird das auf einem Parabelflug: Wenn das Flugzeug mehrere steile, wellenförmige Manöver fliegt, wird für jeweils rund 22 Sekunden die Schwerelosigkeit erreicht. "Aus Simulationen und Versuchen auf der Erde wissen wir nicht genau, wie sich die Apparatur in der Schwerelosigkeit tatsächlich verhalten wird", erklärt die promovierte Physikerin. Was monatelange Vorbereitung erfordert, ist doch nur eine Art Probelauf. Denn die Flugkampagnen dienen zur Vorbereitung für den endgültigen Einsatz – auf der Internationalen Raumstation ISS
Christina Knapek arbeitet in der Arbeitsgruppe Komplexe Plasmen des DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum im bayerischen Oberpfaffenhofen. Plasma ist ein (teilweise) ionisiertes Gas, das auf der Erde nur selten natürlich vorkommt, etwa bei einem Blitz. Im All sind dagegen 99 Prozent der sichtbaren Materie im Plasmazustand. Wenn das Plasma zusätzlich Staub oder andere Mikropartikel enthält, werden diese hoch aufgeladen, und es entsteht ein sogenanntes komplexes Plasma – ein neuer Zustand der weichen Materie.

Wie Atome in Zeitlupe

Sobald beim Parabelflug die Schwerelosigkeit eintritt, schütteln die Wissenschaftler winzige Plastikkügelchen in zuvor erzeugtes Plasma ein. Sie sind groß genug und bewegen sich so langsam, dass sie mit einer normalen Videokamera sichtbar gemacht werden können. Auf dem Bildschirm ist gut zu erkennen, wie sich die Teilchen im Raum ausbreiten, sich gegenseitig beeinflussen und dreidimensionale Kristallstrukturen bilden. Sie verhalten sich dabei ähnlich wie Atome in einem Festkörper oder einer Flüssigkeit und lassen sich wie in Zeitlupe beobachten. Per Lasermanipulation können die Wissenschaftler die Kügelchen im Plasma auch beschleunigen. Dann verwandelt sich die ruhige Partikelwolke auf dem Videomonitor plötzlich in eine Scherströmung. Daraus lassen sich neue, grundlegende Erkenntnisse zur Physik von Vielteilchensystemen ableiten. Auf der Erde sind solche Experimente unmöglich, weil die Mikropartikel durch die Schwerkraft sofort absinken. 

Christina Knapek leitet das Projekt Ekoplasma, das 2022 zur ISS starten soll. Es wird bereits das vierte Plasmakristall-Labor auf der Raumstation sein. Ekoplasma ist eine deutsch-russische Kooperation. Die wissenschaftlichen Partner vom Joint Institute for High Temperatures (JIHT) in Moskau koordinieren auch den Transport zur ISS und die Übermittlung der Videodaten zur Erde. Unter ihrer Anleitung führen russische Kosmonauten die Plasmaexperimente im Weltall durch. Die Zusammenarbeit über Fach- und Ländergrenzen hinweg ist im DLR kein Einzelfall. Die meisten Projekte aus Luft- und Raumfahrt, Energie und Verkehr sind als Kooperation mit nationalen oder internationalen Partnern aus Forschung und Industrie angelegt. In der weltweiten Wissenschaftsgemeinde ist das DLR, das bundesweit 40 Institute und Einrichtungen betreibt, sehr gut vernetzt und genießt einen hervorragenden Ruf. Auf vielen Gebieten, etwa der optischen Kommunikation im Weltraum, nehmen DLR-Teams eine Spitzenstellung ein.

Hardware im Eigenbau

Christina Knapek entwickelt mit ihrer Arbeitsgruppe die komplette Hardware für das Plasmalabor Ekoplasma, vom Design über Mechanik, Elektronik und Steuerung bis zu den Instrumenten. Der Aufbau der zylinderförmigen Plasmakammer unterscheidet sich in Form und Größe vom Vorgänger PK-4, der derzeit auf der ISS betrieben wird. Durch mehrere Kameras werden die Versuche erstmals dreidimensional darstellbar sein, was den Forschern ganz neue Einblicke liefern soll. Sobald sie den Prototypen optimiert haben – er muss für den Einsatz im Weltall vor allem leichter und robuster werden – wird er erneut im Parabelflug getestet. Die nächste Kampagne ist für 2018 geplant. Dann wird auch Christina Knapek an Bord sein – obwohl sie Flugangst hat. Sie reist zwar mit dem Zug zum Startflughafen ins französische Bordeaux, aber die Parabeln will sie sich nicht entgehen lassen: "Es ist ein wirklich faszinierendes Erlebnis, und nach so viel Arbeit setzt sich natürlich der Wunsch durch, das Labor selbst zu bedienen!"


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