Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/zarm-zehn-sekunden-schwerelos-1611-124268.html    Veröffentlicht: 11.11.2016 12:06    Kurz-URL: https://glm.io/124268

Zarm

Zehn Sekunden schwerelos

Nur was hochgeschossen wird, kann tief fallen: Im Fallturm Bremen gibt es ein senkrechtes Labor für Forschung in Schwerelosigkeit - und Hochzeiten. Wir haben zwar nicht geheiratet, aber waren dabei, als ein Experiment abgehoben ist.

Völlig losgelöst in Bremen: Experimente in Schwerelosigkeit durchzuführen, ist auf der Erde gar nicht so einfach. Es gibt die Möglichkeit, in ein Flugzeug zu steigen, das Parabelflüge durchführt. Oder der Wissenschaftler reist nach Bremen und lässt dort sein Experiment 120 Meter tief fallen.

146 Meter hoch ragt der schlanke Bleistift im Bremer Universitätsviertel in den Himmel. Ein Fallturm sei die kostengünstigste Möglichkeit für Forschung in Schwerelosigkeit, sagt Thorben Könemann, stellvertretender wissenschaftlicher Leiter der Zarm-Fallturm-Betriebsgesellschaft, im Gespräch mit Golem.de. Zarm steht für Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation. Wir haben den Bremer Fallturm besucht und uns erklären lassen, welche Experimente hier durchgeführt werden und was ihn von anderen Falltürmen unterscheidet.

An der Wand sind Bilder aus der Fallröhre zu sehen

Langsam schwenkt der Arm, der mit der Kapsel verbunden ist, zur Seite. Kurz darauf versinkt der Zylinder mit dem Gestänge oben drauf in einem Schacht. Die Bilder kommen aus der Fallröhre und werden im Kontrollzentrum des Fallturms an die Wand projiziert. Eine Kamera zeigt den Boden der Fallröhre mit dem Katapultschacht, die andere blickt nach oben in die Röhre. Ein Aufenthalt in der Röhre ist kurz vor dem Experiment nicht möglich: In der Röhre herrscht nur noch ein Luftdruck von 0,1 Millibar.

Der Monitor einer der Ingenieure zeigt eine Animation an, wie die Kapsel weiter absinkt. Elf Meter tief verschwindet sie im Boden. Sie steht auf einem Katapult, das sie gleich in die Höhe schleudern wird. Dieses Katapult mache den Bremer Fallturm einzigartig, sagt Könemann. Denn es ermögliche, Experimente nicht nur - wie in der Glenn Zero Gravity Research Facility der Nasa im US-Bundesstaat Ohio oder im National Microgravity Laboratory in der chinesischen Hauptstadt Peking - fallen zu lassen.

Das Katapult schießt die Kapsel in die Höhe

Das Katapult schießt die Kapsel mit einem wissenschaftlichen Versuchsaufbau darin etwa 110 Meter in die Höhe. Dann fällt die Kapsel wieder herunter. So verlängert sich die Zeit der Schwerelosigkeit von 4,7 Sekunden bei einem Fallexperiment auf 9,3 Sekunden.

Inzwischen ist das Katapult geladen - sprich: Der Teller ist auf elf Meter unter dem Boden des Fallturms hinabgezogen. Das erledigt ein hydraulisches System. Der Treibstoff für das Katapult ist Luft: Unter dem Teller herrscht jetzt - so ist es auf dem Monitor abzulesen - ein Druck von 2,04 bar.

Die Kapsel sendet Daten

Die beiden Zarm-Ingenieure sitzen vor ihren Monitoren. Der Abbremsbehälter ist in Position - der Rand des tonnenschweren gelben Ungetüms ist deutlich auf dem Videobild an der Wand zu sehen. Alles ist normal. "Von uns aus kann es losgehen", sagt einer. Am Tisch vor den beiden Ingenieuren sitzt das dreiköpfige Forscherteam vor einem Laptop. Es prüft noch einmal die Daten aus der Kapsel, die gleich abheben wird. Über Funk haben die Forscher eine direkte Datenverbindung zu ihrem Aufbau. Auch von ihnen aus kann der Flug jetzt starten.

Begonnen hatte das allerdings deutlich früher.

Die Vorbereitungen laufen

Gut zwei Stunden vor dem Start haben die beiden Ingenieure die Kapsel vorbereitet: Über das Gestell mit dem Versuchsaufbau stülpen sie einen Zylinder, der oben mit einem Deckel verschlossen wird. Deckel und Boden werden gut befestigt - in der Kapsel herrscht Normaldruck, der nicht entweichen soll. Auf der Bodenplatte sitzen Akkus, die den Versuchsaufbau - an diesem Tag ist es ein photoelektrochemisches Experiment - im Flug mit Strom versorgen.


Auf einem Wagen wird die rund 400 Kilogramm schwere Kapsel dann in die Fallröhre gebracht. An einem Gestell am Deckel der Kapsel wird ein Haken eingehängt und diese mit dem Flaschenzug angehoben. Dann wird unter dem Boden der Kegel montiert. Dieser hat eine doppelte Funktion: Auf ihm steht die Kapsel auf dem Katapult und er ist wichtig für den Bremsvorgang.

Die Kapsel bekommt Strom

Ist der Kegel montiert, wird die Kapsel abgesenkt und auf dem Katapult abgesetzt. Dann fährt das Supportsystem aus und wird mit der Kapsel verbunden. Darüber wird sie beispielsweise mit Strom oder Kühlflüssigkeit versorgt - je nachdem, was das Experiment erfordert.

Anschließend wird die Röhre geräumt, mit einer schweren Stahltür verschlossen - und dann wird es laut: Ein Ensemble aus 18 Pumpen dröhnt nacheinander und gruppenweise auf, um die Fallröhre leer zu pumpen. Es gilt, immerhin ein Volumen von 1.700 Kubikmetern Luft zu evakuieren. Das wird anderthalb bis zwei Stunden dauern. Genug Zeit, um ganz nach oben zu fahren.

Der Turm schwankt

Wir stehen am oberen Ende der Fallröhre. Stahlröhre und Betonturm sind nicht miteinander verbunden. Der Turm, sagt Könemann, sei praktisch nur der Wetterschutz für die Röhre. Bei genauerem Hinsehen ist zu erkennen, dass sich beide gegeneinander bewegen. Der Eindruck ist: Die rote Röhre bewegt sich.

Tatsächlich stehe die Stahlröhre still, sagt Könemann. Der Turm bewege sich. 120 Meter über dem Erdboden. Allerdings kaum, an dem Tag geht nur wenig Wind. Bei Windstärke 8 - immerhin Sturmstärke - ist aber Schluss mit Fallexperimenten. Dann schwankt die Kapsel zu sehr, um in der Röhre einen sauberen, geraden Fall hinzubekommen.

Noch zwei Stockwerke höher, in der Spitze des Bleistifts, befindet sich Bremens höchstes Hochzeitszimmer. Die Aussicht ist grandios. Aber wer sich hier das Jawort gibt, sollte tunlichst schwindelfrei sein. Heiraten ist jedoch nicht der wichtigste Zweck dieses Bauwerks.

Es geht hauptsächlich um Raumfahrt

Alternativ zum Fallturm können Experimente auch auf Parabelflügen oder gleich im Weltall durchgeführt werden. Wobei der Fallturm allerdings einige Vorteil habe, sagt Könemann.

Verglichen mit einem Flug ins All sei ein Versuch im Fallturm in erster Linie einmal viel günstiger. Zudem könne die Hardware während der Versuchsreihe - ein Aufenthalt im Zarm besteht normalerweise aus einer Kampagne, die eine Woche lang ist - getauscht werden. Außerdem wird handelsübliche Hardware verwendet. Sie muss nicht für den Einsatz im All qualifiziert sein.

Parabelflüge bieten eine schlechtere Qualität der Schwerelosigkeit

Parabelflüge bieten zwar mit gut 20 Sekunden pro Parabel längere Zeit Schwerelosigkeit und es können Tests mit Menschen durchgeführt werden. Allerdings ist die Qualität der Schwerelosigkeit schlechter als im Fallturm; es bleibt eine Restbeschleunigung von einem Hundertstel der Erdbeschleunigung. Im Fallturm beträgt die Restbeschleunigung ein Millionstel der Erdbeschleunigung. Damit eigne sich der Fallturm beispielsweise deutlich besser für grundlegende Forschung.

Da die Kapsel im Fallturm unbemannt ist, könnten dort potenziell gefährliche Experimente durchgeführt werden, die sich im gut besetzten Flugzeug oder auf der Internationalen Raumstation nicht so gut machen. Dazu gehören beispielsweise Experimente aus der Verbrennungsforschung, die der Verbesserung von Verbrennungsvorgängen in Motoren dienen.

Wie verhält sich Flüssigkeit unter Schwerelosigkeit?

Andere Experimente untersuchen fundamentale Quantenvorgänge oder das Verhalten von Flüssigkeiten unter Schwerelosigkeit. Das dient beispielsweise dazu, Tanksysteme für Raumfahrzeuge zu entwickeln.

Die meisten Experimente beschäftigen sich mit der Raumfahrtwissenschaft. Schließlich wird der Turm vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Europäischen Raumfahrtagentur (Esa) gefördert. Dazu gehört beispielsweise, zu testen, ob Komponenten in der Schwerelosigkeit funktionieren.

Der Auswurf von Mascot wurde in Bremen getestet

Für die japanisch-deutsche Asteroidenmission Hayabusa 2 etwa wurde der Auswurfmechanismus des vom DLR konstruierten Landers Mobile Asteroid Surface Scout (Mascot) getestet. Ebenso wurde das Entfalten von Solarsegeln oder von Netzen zum Einfangen von Weltraumschrott in Schwerelosigkeit probiert.

Chemische Experimente wie jenes, das gleich fliegen wird, seien eher selten, erzählt Könemann. Das gelte auch für biologische Experimente, da die Zeit in der Schwerelosigkeit dafür etwas zu kurz sei. Aber um etwa herauszufinden, wie schnell ein biologisches System auf Schwerelosigkeit reagiere, reiche die kurze Zeit.

Das Katapult kam später

Der Fallturm ist seit 1990 in Betrieb. Seither wurden über 7.800 Abwürfe durchgeführt. Die weitaus meisten waren Fallexperimente, weil das Katapult erst 2004 eingebaut wurde. Im regulären Betrieb ist es seit 2007. Am Tag gibt es meistens zwei Abwürfe oder Katapultschüsse, möglich sind drei.

Inzwischen sind auch die Forscher im Kontrollzentrum startklar.

Das Experiment fliegt

Einer der Wissenschaftler löst das Katapult aus. Das beschleunigt die Kapsel in 300 Millisekunden auf 170 km/h. Einen kurzen Moment lang ist sie an der Wand zu sehen, wie sie aus dem Katapultschacht kommend durchs eine, dann durchs andere Bild saust.

Wichtig ist in dem Moment, dass die Servoventile öffnen und die Katapultstange kontrolliert loslassen, um einen sanften Übergang von der Beschleunigung in die Schwerelosigkeit zu gewährleisten. Die Anfangsbeschleunigung der Kapsel kann ohnehin bis zu 30G betragen. Die übersteht nicht jedes Experiment - manche Tests können deshalb nicht per Katapultschuss, sondern nur im Fall durchgeführt werden.

Die Fallröhre ist geschützt

In der Phase vor dem Start sind alle Beteiligten hochkonzentriert. Durch die ungeheuren Kräfte, die bei der Beschleunigung auf die Kapsel übertragen werden, könnten theoretisch schwere Schäden an der Fallröhre entstehen. Dagegen ist das System aber mehrfach gesichert: einerseits ist die Decke der Fallröhre mit einer Sicherheitszone in Honigwabenstruktur ausgestattet, die einen Aufprall absorbieren würde, und andererseits sorgen computergestützte Überwachungssysteme dafür, dass die Beschleunigung im Notfall abgebrochen wird und die Crashzone niemals benötigt werden wird.

Das linke Bild, das den Katapultschacht zeigt, ändert sich. Etwas Gelbes mit einem weißen Kreis schiebt sich hinein: der Abbremsbehälter. Er ist wie ein Pendel aufgehängt und wird nach dem Start in drei Sekunden unter die Fallröhre geschwenkt. Er ist gut acht Meter hoch und mit 15 Kubikmetern Styroporkügelchen gefüllt. In dieses Styroporbad fällt die Kapsel. Deshalb auch der Konus: Er erleichtert das Eintauchen mit 170 km/h.

Styroporkügelchen fliegen

Wenige Sekunden nach dem Aufstieg ist die Kapsel erst kurz auf dem Bild zu sehen, das die Fallröhre zeigt. Dann stieben weiße Styroporkugeln auf - das war's. Die Wissenschaftler bekommen direkt auf ihre Rechner erste Daten sowie Bilder der Kameras, die sie in der Kapsel installiert hatten.

Einer der Zarm-Ingenieure leitet inzwischen den Druckausgleich in der Fallröhre ein. Dann wird er die Kapsel aus dem Styropor bergen, indem er mit einem Haken nach dem Gestell fischt. Mit dem Flaschenzug zieht er die Kapsel heraus und lässt sich auf den Boden herab. Zuvor hat er mit Druckluft noch das Styropor entfernt.

Die Kapsel wird dann geöffnet, die Wissenschaftler können ihren Aufbau begutachten, ihn eventuell modifizieren - und dann wieder vorbereiten für den nächsten Schuss am Nachmittag.  (wp)


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