Thomas Reiter führt Experimente mit PK-3 Plus zu komplexen Plasmen durch

Hierbei arbeitet er mit der deutsch-russischen Experimentieranlage PK-3 Plus, die sich seit Anfang 2006 an Bord der Raumstation befindet.

Bei ihr handelt es sich um eine Kooperation des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching bei München und des Instituts für Hochenergiedichten der Russischen Akademie der Wissenschaften in Moskau. Der deutsche Anteil des Projekts wird vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) finanziert.

Seit Beginn der wissenschaftlichen Forschung auf der ISS im Jahr 2001 hat jeder russische Kosmonaut mindestens einmal während seines Aufenthalts eine Experimentserie mit komplexen Plasmen durchgeführt. Von 2001 bis 2005 stand hierfür die Anlage PK-3 zur Verfügung. Sie war die erste Anlage überhaupt, die auf der ISS für physikalische Experimente in Betrieb genommen wurde.

Anfang 2006 wurde sie durch die modernere Version PK-3 Plus mit erheblich erweiterten Experimentiermöglichkeiten ersetzt. Mit der neuen Anlage wurde auch gleichzeitig der Kreis der wissenschaftlichen Nutzer erweitert. Neben deutschen und russischen Forschern steht die PK-3 Plus, koordiniert durch die ESA, jetzt auch Wissenschaftlern aus anderen ESA-Mitgliedsländern und aus Japan und den USA zur Verfügung.

Darüberhinaus hat die ESA auch im Rahmen ihrer gegenwärtigen Astrolab-Mission mit dem deutschen ESA-Astronauten Thomas Reiter erhebliche Ressourcen zur Vorbereitung und Durchführung von Experimentserien mit der neuen Plasmaforschungsanlage bereitgestellt. So wird Reiter während seines sechsmonatigen Aufenthaltes auf der ISS zwei Experimentierserien durchführen.

Die von ihm für Experimente mit der PK-3 Plus aufgewendete Arbeitszeit wird der bisher insgesamt von vier russischen Kosmonauten während der vergangenen zwei Jahre aufgewendeten Arbeitszeit entsprechen. Dafür wurde er wissenschaftlich und technisch sehr eingehend auf das Experimentieren mit PK-3 Plus vorbereitet, deren Durchführung ohne die intensive Beteiligung eines Astronauten oder Kosmonauten an Bord der ISS überhaupt nicht möglich wäre.

Seit dem 17. August 2006 ist es soweit: Thomas Reiter setzt für drei Tage die wissenschaftlichen Untersuchungen von komplexen Plasmen fort und konzentriert sich dabei auf die sogenannten Phasenübergänge am kritischen Punkt, die bisher mit der Vorgängeranlage PK-3 noch nicht untersucht worden sind. Bereits eine Woche vorher, am 10. August, hatte sein russischer Kollege Pawel Winogradow die neue Anlage im russischen Swjesda-Labor auf der ISS aufgebaut und mit den ersten Versuchen begonnen. Insbesondere interessiert die beteiligten Wissenschaftler aus Deutschland, Russland, Frankreich, Italien, den Niederlanden, Norwegen, Portugal und den USA der Übergang vom flüssigen zum gasförmigen Zustand und hier vor allem der kritische Punkt, an dem die Unterschiede zwischen Flüssigkeit und Gas aufhören.

Ein komplexes Plasma besteht aus einem elektrisch geladenen Gas mit freien Elektronen und Ionen, wie es etwa als Leuchtmittel in einer Leuchtstoffröhre vorkommt, und kleinen Partikeln („Staub“) von 1-20 µm Größe. Die Partikel werden in dem Gas elektrostatisch aufgeladen und treten miteinander in Wechselwirkung, so dass sich Gas und Partikel wie ein Stoff verhalten. Während des Experiments werden das Plasma erzeugende elektrische Hochfrequenzfeld und der Gasdruck variiert.

Abhängig von diesen Experimentbedingungen bewegen sich die Partikel in dem komplexen Plasma wie die Atome in einem Gas oder einer Flüssigkeit oder ordnen sich sogar dreidimensional regelmäßig wie in einem Kristall (Plasmakristall) an. Da sich bei Änderungen von einem Zustand in den anderen das Verhalten jedes einzelnen Partikels („Atoms“) optisch beobachten lässt, sind komplexe Plasmen gut als Modelle für „normale“ Materialien geeignet, bei denen dies so nicht möglich ist.

Die Experimente laufen in der Regel nach vorprogrammierten Abläufen ab, die vor Beginn der Experimentserien per E-Mail zur ISS geschickt wurden und deren Verlauf vom durchführenden Kosmonauten genau beobachtet und dokumentiert werden. Im russischen Missionskontrollzentrum ZUP in Koroljow bei Moskau verfolgen dann die beteiligten Wissenschaftler den Ablauf der Experimente vom Boden aus. Sie erhalten meist nur zu Beginn beim Überflug der Station über Russland für ca. 10 Minuten Bilder und einmal am Tag eine Rückmeldung über die eingestellten Experimentparameter und technischen Messdaten.

Ansonsten müssen sie sich ganz auf den Kosmonauten verlassen, der das Experiment an Bord durchführt. Die Erfahrung aus vergangenen Versuchen hat gezeigt, dass Änderungen von Experimentparametern oder eingestellter Programmabläufe manchmal erforderlich sind – etwa die Änderung des elektrischen Felds in kleineren oder größeren Schritten. Nach Anweisung der Wissenschaftler via Sprechfunk werden sie durch den Kosmonauten manuell am Experiment durchgeführt. Das ist gerade für Untersuchungen im Bereich um den kritischen Punkt für den Erfolg des Experimentes entscheidend.

Die eigentlichen wissenschaftlichen Bilddaten von insgesamt vier Kameras werden auf Festplatten aufgezeichnet und alle sechs Monaute beim Austausch der ISS-Mannschaften mit der russischen Sojus-Kapsel zurück zur Erde gebracht. Erst dann kann die detaillierte wissenschaftliche Auswertung richtig beginnen.

Thomas Reiter soll voraussichtlich im Oktober 2006 noch eine weitere Experimentserie mit PK-3 Plus durchführen. Sein russischer Kollege wird dann der Kosmonaut Michail Tjurin der Expeditionscrew 14 sein. Dieser hat bereits 2001 mit PK-3 gearbeitet.

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