Kugel in der Kugel: das Experiment GEOFLOW
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GEOFLOW: Blick ins unbekannte Herz der Erde

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ESA / Space in Member States / Germany

Das erste deutsche Experiment im Flüssigkeitslabor (FSL) kommt aus den neuen Bundesländern: GEOFLOW. Es soll helfen, die Strömungen im Erdinneren und damit den inneren Aufbau unseres Heimatplaneten besser zu verstehen. Der französische ESA-Astronaut Léopold Eyharts hat das vollautomatisierte geophysikalische Experiment Anfang März im Fluid Science Laboratory (FSL) per Knopfdruck gestartet. GEOFLOW läuft zunächst über sechs Monate. Die Experimentdaten gelangen rund um die Uhr Online von der ISS über das in Neapel gelegene Nutzerunterstützungszentrum MARS an den Lehrstuhl in Cottbus.

An der Cottbuser Universität ist speziell für dieses Experiment ein Kontrollzentrum eingerichtet worden. Von dort beobachten die Projektmitarbeiter den Verlauf des Experimentbetriebes und nehmen eine erste Auswertung der Daten noch während des laufenden Versuches vor. Wenn sie auf etwas Interessantes stoßen, können sie die Einstellungen sofort verändern und damit den Versuch optimieren.

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Derzeitiges Modell vom Aufbau des Erdinneren
Derzeitiges Modell vom Aufbau des Erdinneren

Das Zielobjekt von GEOFLOW ist unsere Erde, die – wie eine Zwiebel – schalenförmig aufgebaut ist. Ihr Gesicht kennen wir: Oberfläche und Atmosphäre sind direkter Beobachtung zugänglich und umfassend erforscht. Aber wie es im Herzen unseres Heimatplaneten aussieht, ist weitestgehend unbekannt.

Das Erdinnere lässt sich bislang nur mit Hilfe seismischer Wellen oder durch aufwändige Tiefbohrungen erkunden. Wenngleich der Tiefenrekord bei beachtlichen 12262 Metern liegt, stellen Bohrungen dieser Art dennoch nichts weiter als kleine Kratzer an der Oberfläche der dünnen Planetenkruste dar.
Unser Wissen über die Strukturen und Prozesse im Erdinneren beruht daher im Wesentlichen auf seismischen Experimenten, also auf indirekter Beobachtung. Angesichts extremer Druck- und Temperaturwerte wird nie jemand zum Mittelpunkt der Erde in 6370 Kilometer Tiefe gelangen und den Aufbau erkunden können. Mit einer Ausnahme: Jules Verne vollbrachte das Unmögliche und reiste dorthin – im Sciencefiction-Roman.

Auf Entdeckungskurs: Der „Jules Verne“ aus Cottbus

Nun will ein moderner „Jules Verne“ es auf andere Art tatsächlich realisieren: Prof. Christoph Egbers, Lehrstuhlinhaber für Aerodynamik und Strömungslehre an der Brandenburgisch-Technischen Universität Cottbus (BTU), will mit seinem Team eine Reise unternehmen, die uns zum Mittelpunkt der Erde führt, aber in 350 Kilometer Höhe über der Erdoberfläche stattfindet. Das phantastisch anmutende Experiment heißt GEOFLOW, ist nicht größer als ein Schuhkarton, und soll geophysikalische Bewegungen im Innern der Erde anhand von Flüssigkeiten simulieren.

Das klingt irgendwie verrückt. Aber Egbers hat ein Modell entwickelt, das Erfolg versprechend auf die Erde und andere planetare Körper angewendet werden kann. 1995 hat er es beim ersten Konversionsflug einer strategischen Interkontinentalrakete Russlands getestet. Für das verfeinerte neue Experiment an Bord des europäischen Forschungsmoduls Columbus investierte er sieben Jahre Vorbereitungszeit. Unter seiner Leitung hat dann eine deutsch-französisch-britische Forschergruppe die Versuchsreihen für GEOFLOW entwickelt, die den Wissenschaftlern neue Einblicke in die Strömungen im flüssigen Kern der Erde bieten sollen. Denn: „Nur in der Schwerelosigkeit ist es möglich, solche Strömungen in einem realistischen Modell zu untersuchen", so Egbers.

Das dritte Fenster zum Erdinneren

High-Tech-Experimentierschrank als Strömungslabor: das Fluid-Science-Lab im Columbus-Modul
High-Tech-Experimentierschrank als Strömungslabor: das Fluid-Science-Lab im Columbus-Modul

Das GEOFLOW-Experiment stößt damit ein drittes Fenster zum Herz der Erde auf. Es bildet den Erdaufbau nach und simuliert Strömungsbewegungen und Hitzeverteilung im flüssigen Erdinneren, die sich präzise beobachten und auswerten lassen. „Alle Parameter sind so eingestellt, dass die Strömungsphysik auf die Verhältnisse im Erdkern modellhaft übertragbar sind“, erklärt Egbers.

Und so ist das Experiment aufgebaut: GEOFLOW besteht aus zwei ineinander gesetzten, rotierenden Kugelschalen von unterschiedlicher Temperatur, die den festen Erdkern und den Erdmantel nachbilden. Der Spalt zwischen den Schalen ist mit einem Öl gefüllt, das den flüssigen Erdkern darstellt. Ein elektrisches Kraftfeld zwischen den zwei Sphären simuliert die Erdanziehung. Das funktioniert allerdings nur, wenn kein echtes Schwerefeld das künstliche Kraftfeld verzerrt. Deshalb ist das Experiment nur in der Schwerelosigkeit durchführbar, d.h. im All.

Unter dem Einfluss von Rotation, Temperaturgefälle und simuliertem Schwerefeld beginnt das Öl zwischen den Kugelschalen zu zirkulieren. Es verhält sich dabei analog zu der flüssigen Masse, die den festen Erdkern umströmt. Die entstehenden Bewegungen werden mit einem Laserinterferometer analysiert. Eine Kamera an Bord des FSL-Physiklabors lichtet die vom Laser sichtbar gemachten Strömungsmuster ab, die Bilddaten werden dann zur Erde übermittelt und an der BTU in Cottbus ausgewertet.

Bahnbrechendes Experiment

Auch wenn es in seiner schuhkartongroßen Experimentierbox eher unscheinbar daherkommt – GEOFLOW hat es in sich: Die Masse an Daten und die erwartete Vielzahl an Strömungsmustern können neue und auch unerwartete Erkenntnisse über das wenig erforschte Erdinnere liefern. Möglicherweise ergibt sich sogar ein völlig neues Bild, das unsere bisherige Vorstellung vom inneren Aufbau der Erde revolutioniert.
Gelingt GEOFLOW, wird man bald mehr über den Aufbau des Erdmantels und Erdkerns bis in 6370 Kilometer Tiefe erfahren. Mehr noch: Das Experiment kann modifiziert auch auf andere planetare Körper angewendet werden – beispielsweise auf die inneren Planeten unseres Sonnensystems.

Weitere Informationen
Principal Investigator Prof. Dr.-Ing. Christoph Egbers
Lehrstuhl für Aerodynamik und Strömungslehre
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
Siemens-Halske-Ring 14
03046 Cottbus
Egbers @ tu-cottbus.de
Fon: 0355 / 69-4485 oder 69-5011
Fax: 0355 / 69-4891

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