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Um 03.44 Uhr MESZ hat die Sojus TMA 13M-Kapsel am 29. Mai 2014 an der ISS angedockt.

Forschen in der Schwerelosigkeit

Die Internationale Raumstation und ihre irdische Konkurrenz

Ob neue Werkstoffe, das Wachstum von Pflanzen oder medizinische Fragen - manche wissenschaftliche Experimente müssen in Schwerelosigkeit durchgeführt werden. Hierfür gibt es das Raumlabor Columbus in der Raumstation ISS. Doch auch auf der Erde gibt es die Möglichkeit, alternative Schwerelosigkeiten zu erzeugen, sei es im Bremer Fallturm, in einer fliegenden Rakete über Schweden oder dem für Parabelflüge umgebauten Airbus "Zero-G", auch liebevoll genannt: der "Kotzkomet".

Der Weltraumbahnhof Baikonur in der Nacht zum 29. Mai dieses Jahres, sinnigerweise dem Himmelfahrtstag: Ein Feuerstrahl taucht die kasachische Steppe von Baikonur für einige Sekunden in gleißendes Licht, bevor er im nachtschwarzen Himmel verschwindet. Nach vier Erdumkreisungen dockt die Soyuz-Kapsel an der Raumstation in 400 Kilometern Höhe an. Für knapp sechs Monate wird Alexander Gerst auf der ISS leben und wissenschaftliche Experimente durchführen. Sieben Jahre nach Thomas Reiter gehört wieder ein deutscher Astronaut zur Dauerbesatzung im All.

Alexander Gerst ist promovierter Geophysiker, spezialisiert auf Vulkane in der Antarktis.
Zwar kreist der Astronaut, der in Künzelsau aufgewachsen ist und in Hamburg studiert hat, jetzt fünfzehnmal am Tag um die Erde - doch was auch immer er dort oben tut: Es dreht sich weiterhin um den blauen Punkt, um seinen Heimatplaneten, der ihm so vertraut ist.

Astronaut Alexander Gerst

Sechs Monate wird Alexander Gerst auf der ISS leben und arbeiten

Heimat in Blau

Überwältigende Eindrücke sammelt Alexander Gerst seit fünf Monaten Tag für Tag. Der Höhepunkt seiner Mission war sicher der Außeneinsatz Anfang Oktober. Durch einen Raumanzug geschützt hat er sich gemeinsam mit einem Kollegen an der Station entlang gehangelt und defekte Geräte ausgetauscht - um sich herum nur die Erde und die schwarze Weite des Weltraums.

Der All-Tag des Astronauten sind aber wissenschaftliche Experimente: Alexander Gerst verbringt täglich einige Stunden im europäischen Raumlabor Columbus. In der kommenden Woche wird Alexander Gerst seinen Dienst im Weltall beenden und zur Erde zurückkehren. Bis dahin erledigt er noch die letzten Aufgaben seines umfangreichen Programms. Dabei geht es ebenso um ganz grundlegende Erkenntnisse wie um angewandte Forschung.

Alexander Gerst beim Außeneinsatz

Astronaut Gerst an der ISS

Alexander Gerst kommt während seiner Mission mit hundert Experimenten aller ISS-Partner in Kontakt. Das prominenteste mag das EML sein, der Electromagnetic Levitator, ein Schmelzofen, mit dem auf der ISS berührungslos Materialproben aufgeschmolzen und wieder abgekühlt werden können, erklärt Volker Schmid vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR. Damit lässt sich die Simulation von Gießprozessen wesentlich genauer steuern.

Schwerelose Ergebnisse

Alexander Gerst wohnt und arbeitet gemeinsam mit drei russischen und zwei amerikanischen Kollegen in den Modulen der ISS. Doch die Hälfte der sechsköpfigen Besatzung ist stets damit beschäftigt, den fußballfeldgroßen Komplex in Schuss zu halten. Auch Sicherheitsübungen und sportliche Aktivitäten gegen den Muskelabbau und Knochenschwund in der Schwerelosigkeit stehen täglich auf dem Plan.

Im Columbus-Modul, also der "Forschungsabteilung" der Raumstation, gelten zwar dieselben physikalischen Gesetze wie auf der Erde. Aber die Schwerkraft ist in der Umlaufbahn nicht zu spüren. Im Weltraum herrscht Schwerelosigkeit, was bemerkenswerte Folgen hat: Anders als am Boden steigt warme, leichtere Luft im Weltall nicht auf. Verschieden schwere Stoffe lassen sich perfekt durchmischen: Das Fruchtfleisch im Saft sinkt in der Schwerelosigkeit nicht auf den Grund und ausgekippte Flüssigkeiten schweben als Kugeln durch den Raum.

Experimente, die über Stunden, Tage oder gar Monate laufen, lassen sich nur auf der Internationalen Raumstation oder speziellen Satelliten durchführen, die lange um die Erde kreisen. Doch bei manchen Fragestellungen reichen wenige Sekunden völlig aus - in solchen Fällen gibt es zur Reise zum gut 900 Millionen Euro teuren Raumlabor Columbus eine ganz bodenständige und preisgünstige Alternative.

Mars-Salat

Salatzucht für den Mars im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Bremen

Schwerelos im Fall

Mitten im Bremer Universitätsgelände ragt ein schlanker weißer Turm fast 150 Meter hoch in den Himmel. Mit der pfiffigen Glasspitze wirkt er wie ein riesiger Bleistift. Im Turm: Nichts, oder fast nichts. Der Fallturm gehört zum Zentrum für angewandte Raumfahrttechnik und Mikrogravitation. Der Ingenieur Torsten Lutz lässt spezielle Kapseln den Turm hinunter fallen - sie sind etwa so groß wie eine Regentonne. Da in den Kapseln alles gleich schnell nach unten fällt, ist in ihrem Innern die Schwerkraft nicht spürbar: Es herrscht Schwerelosigkeit oder "Mikrogravitation".

Der Leitstand befindet sich in einem kleinen Raum direkt neben dem Fallturm. An die Stirnwand werden Kamerabilder und technische Daten aus dem Innern des luftleer gepumpten Turms projiziert. Es herrscht gespannte Konzentration. Ein Forschungsteam untersucht die allerersten Phasen der Planetenentstehung. Andrei Vedernikov von der Freien Universität Brüssel lässt deshalb sehr kleine "Planeten" durch den Turm fallen: Staubpartikel, die gerade mal ein tausendstel Millimeter groß sind und durch ein sehr dünnes Gas driften.

Der Fallturm bietet die einfachste Möglichkeit, Weltraumbedingungen zu erleben. Doch wenn ein Experiment nicht nur Sekunden, sondern einige Minuten dauern soll, gibt es eine weitere Alternative zur Internationalen Raumstation: Das Raketengelände Esrange im Norden Schwedens.

Parabelflug

Parabelflug

Schwerelos in der Parabel

Die von hier gestarteten Raketen fliegen sehr steile Kurven, wie ein fast senkrecht nach oben geworfener Stein, und gelangen weit hinaus aus der Erdatmosphäre in den Weltraum. Eine Viertelstunde nach dem Start geht die Experimentierkapsel am Fallschirm etwa 80 Kilometer entfernt in der unbewohnten Landschaft nieder. Ein Peilsender erleichtert die Ortung und ein Hubschrauber bringt sie zurück zum Startplatz.

Ein Forscherteam aus Zürich hatte das empfindliche Material auf der Außenhaut der Rakete angebracht, um zu untersuchen, ob es die Hitze beim Wiedereintritt in die Atmosphäre übersteht. Mit den Experimenten an Bord erforschen Biologen, wie Pflanzen die Schwerkraft wahrnehmen, warum also die Wurzel nach unten wächst, der Spross aber nach oben. Zudem charakterisieren Materialwissenschaftler neuartige Legierungen. Beim nächsten Texus-Flug wollen die Forscher das Kristallwachstum für Solarzellen verbessern und verfolgen, wie Zellen des menschlichen Immunsystems auf Schwerelosigkeit reagieren. Fast alle Experimente, die mit den kleinen Raketen ins All schießen, haben vorher mit technischen Tests im Bremer Fallturm begonnen - oder sie haben auf ganz spezielle Weise abgehoben...

Und zwar bei Novespace im französischen Bordeaux-Mérignac und einem weißen Flugzeug, auf dessen Rumpf in dicken Lettern "Zero-G" prangt - "Null Gravitation", die wissenschaftliche Bezeichnung für Schwerelosigkeit. Es handelt sich um einen Airbus A 300 aus dem Jahr 1973, welches für Parabelflüge umgebaut wurde.

Schwerelos auf Zeit beim Parabelflug

Schwerelos auf Zeit beim Parabelflug

Auf und ab in der Gummizelle

Das Innere der Maschine hat nichts von einem normalen Passagierjet. Nur vorne und hinten gibt es ein paar Sitzreihen. Der Hauptteil der Kabine aber besteht aus einer Gummizelle, in der fast ein Dutzend wissenschaftlicher Apparaturen montiert ist. Schließlich startet die Maschine und fliegt Richtung Mittelmeer. In gut sechs Kilometern Höhe beginnen die vier Piloten im Cockpit ein waghalsiges Manöver: Mit Vollschub reißen sie den Airbus steil nach oben. Bald darauf nehmen sie den Schub zurück und das Flugzeug rast wie ein geworfener Stein durch die Luft, erreicht seine Gipfelhöhe, kippt zurück zur Erde und wird schließlich wieder abgefangen. Währenddessen herrscht im Innern Schwerelosigkeit - im Abstand von jeweils einigen Minuten vollführen die Piloten dieses Kunststück mehr als dreißigmal.

Die Parabel ist die Phase, in der das Flugzeug steil nach oben gezogen wird. Alles im Flugzeug ist doppelt so schwer wie auf der Erde, da kann man kaum mehr seinen eigenen Arm heben, dies dauert ungefähr 20 Sekunden. Und dann beginnt die Schwerelosigkeit.

Während der 22 Sekunden Schwerelosigkeit blicken die Forscher gebannt auf ihre Versuchsanlagen - manche hängen kopfüber davor und kontrollieren die Abläufe. Andere sind extra festgebunden, weil sie sich nicht erlauben können, einfach davon zu schweben. Während der doppelten Schwerkraft zu Beginn und am Ende der Parabel kommt in der Kabine jede Aktivität zum Erliegen.

Der Kotzkomet

Nicht umsonst trägt das Parabelflugzeug den englischen Spitznamen "Vomit Comet", Kotzkomet. Wer einen empfindlichen Magen hat, bekommt auf Wunsch eine dreiviertel Stunde vor dem Start ein Präparat gespritzt. Es soll verhindern, dass das Frühstück Kapriolen schlägt. Die Wissenschaftler an Bord untersuchen unter anderem, wie belastbar Menschen in der Schwerelosigkeit sind. Zudem testen sie einen Bioreaktor, der in einigen Jahren Astronauten auf langen Raumflügen mit Sauerstoff zum Atmen und Algen zum Essen versorgen könnte. Andere erforschen mit speziellen Röntgen- und Mikroskopieverfahren das Verhalten verschiedener Materialien und von Zellgewebe.

Während seines Trainings hat Alexander Gerst wohl Hunderte von Parabelflügen absolviert. Denn nur während einer Parabel sind Menschen auf der Erde schwerelos - nur bei diesen Flugmanövern bekommen die künftigen Astronauten einen Vorgeschmack dessen, was sie im Weltraum erwartet. Ganz nebenbei hat Alexander Gerst bei diesen Flügen schon etliche Apparaturen kennengelernt, mit denen er es seit einigen Monaten auf der Raumstation zu tun hat.

Alexander Gerst untersucht unter anderem das Magnetfeld der Erde und die Strahlung unserer Sonne, wie Pflanzen im All wachsen und wie sich Flüssigkeiten und neue Legierungen verhalten. Zudem ist der Astronaut selbst Forschungsobjekt - denn die Mediziner verfolgen genau, wie er auf die Schwerelosigkeit und den langen Aufenthalt im All reagiert. Nach fünf Jahren harten und oft sehr technischen Trainings hat Alexander Gerst die Zeit der wissenschaftlichen Arbeit sehr genossen, die in der kommenden Woche zu Ende geht.

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