Die Schulreporter haben Prof. Egbers von der BTU Cottbus zum GeoFlow-Experiment auf der ISS befragt. Im Interview erklärt er, wie das Experiment funktioniert und warum es im All durchgeführt wurde.
Hinweis: Die Antworten wurden redaktionell aufbereitet.
Zunächst einleitend einige Worte dazu, wer Professor Egbers ist und was er mit dem GeoFlow-Experiment zu tun hat:
Prof. Dr. Christoph Egbers ist ein Strömungsmechaniker und Maschinenbau-Ingenieur an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg und gehört zu den führenden Experten im Bereich der Strömungsmechanik. Sein Forschungsschwerpunkt liegt darauf, zu verstehen, wie sich Flüssigkeiten und Gase bewegen – insbesondere unter ungewöhnlichen Bedingungen wie im Weltraum.
Ein zentrales Projekt seiner Arbeit ist das GeoFlow-Experiment. Dabei handelt es sich um ein auf der Internationalen Raumstation durchgeführtes Forschungsprojekt, das Strömungen im Inneren der Erde simuliert.
Prof. Egbers war maßgeblich an der Entwicklung und Durchführung dieses Experiments beteiligt. Gemeinsam mit seinem Team hat er das Konzept erarbeitet und die wissenschaftlichen Untersuchungen geleitet. Seine Arbeit trägt dazu bei, grundlegende Naturprozesse besser zu verstehen – und zeigt gleichzeitig, dass Forschung aus Cottbus sogar bis ins All reicht.
Frage: Was wollten Sie mit dem ersten GeoFlow-Experiment herausfinden?
Antwort: GeoFlow war ein konzentrisches Kugelschalenexperiment: Es gab zwei Kugeln: Eine innere Kugel, eine äußere Kugel, dazwischen befand sich eine Flüssigkeitsschicht. Beide Kugeln hatten denselben Mittelpunkt, und waren deshalb konzentrisch. Die Kugeln konnten sich drehen (Rotation) und es gab einen Temperaturunterschied: innen warm, außen kühler, dadurch entstanden Strömungen in der Flüssigkeit. Dieses Modell bildet vereinfacht das Erdinnere nach: innere Kugel = Erdkern
Flüssigkeit = Erdmantel (zähflüssig)
äußere Kugel = Begrenzung (ähnlich Erdoberfläche).
Außerdem benötigte man ein elektrisches Feld (Hochspannung) zur Erzeugung kontrollierter Kräfte. Ziel war die Simulation von Mantelkonvektion unter dem Einfluss von Rotation. So konnte man untersuchen, wie sich Strömungen im Inneren der Erde verhalten.
Wir wollten mit dem GeoFlow-Experiment untersuchen, wie sich Strömungen im Inneren der Erde bilden und verhalten. Im Inneren der Erde gibt es heißes, flüssiges Material (Magma), das sich bewegt. Diese Bewegungen nennt man Konvektion. Sie sind wichtig, weil sie z. B. Vulkane, Erdbeben und Plattentektonik beeinflussen.
Ziel des GeoFlow-Experiments sollte sein herauszufinden, wie Flüssigkeiten unter Einfluss von Temperaturunterschieden strömen, um zu verstehen, wie sich Strömungsmuster im Erdinneren bilden. Es sollte untersucht werden, wie Rotation (Drehung der Erde) diese Strömungen beeinflusst.
Die Ergebnisse helfen dabei, das Erdinnere besser zu verstehen, Modelle für Erdbeben und Vulkanismus zu verbessern und allgemein physikalische Strömungsprozesse genauer zu erforschen.
Frage: Wieso haben Sie das Experiment zur ISS geschickt?
Antwort: Zuerst einmal ein paar Informationen zur ISS: Die Internationale Raumstation ISS fliegt in einer konstanten Entfernung von etwa 400 km um die Erde herum. Dabei braucht sie für eine Umrundung 90 Minuten; sie fliegt mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 28.000 Kilometern pro Stunde. Diese Schnelligkeit wird benötigt, damit sich zwei wirkende Kräfte ausgleichen: Die Zentrifugalkraft, welche nach außen wirkt, und die Erdanziehung, welche nach innen wirkt. 2007 wurde das europäische Forschungsmodul Columbus gebaut und in die USA transportiert, wo es in das Space Shuttle eingebaut wurde.
Warum im Weltraum?
Das GeoFlow-Experiment wurde zur Internationalen Raumstation geschickt, weil man dort Bedingungen hat, die auf der Erde nicht möglich sind. Hauptgrund ist die Schwerelosigkeit. Auf der Erde beeinflusst die Schwerkraft jede Flüssigkeit: Warme Flüssigkeit steigt nach oben, kalte sinkt nach unten. Dadurch entstehen starke, „störende“ Strömungen. In der ISS herrscht dagegen fast Schwerelosigkeit, so dass störende Effekte wegfallen. Man kann sehr feine und reine Strömungsmuster beobachten. Beim GeoFlow-Experiment wollte man verstehen, wie sich Strömungen nur durch Temperaturunterschiede und Rotation bilden und wie diese Strömungen im Erdinneren aussehen könnten. Das geht nur, wenn die Schwerkraft nicht alles überlagert.
Frage: Wie haben Sie herausgefunden, dass das Experiment nur im All funktionieren kann und nicht auf der Erde?
Antwort: Durch verschiedene Berechnungen und Experimente wurde systematisch herausgefunden, dass man für das Experiment Langzeitschwerelosigkeit braucht.
1. Physikalische Überlegungen: Forscher wussten aus der Physik, dass auf der Erde immer die Schwerkraft wirkt und dadurch Konvektion (warm steigt, kalt sinkt) entsteht. Für das GeoFlow-Experiment wollte man aber Strömungen untersuchen, die nicht von der Schwerkraft dominiert werden, sondern nur von Temperaturunterschieden und Rotation (wie bei der Erde). Daraus entstand die Vermutung: Auf der Erde wird das Ergebnis verfälscht.
2. Versuche im Labor auf der Erde: Man hat das Experiment zuerst auf der Erde getestet und dabei festgestellt, dass die Schwerkraft die Messungen tatsächlich verfälscht und unbrauchbar macht.
3. Modelle und Simulationen: Mit Computermodellen zeigte sich, dass ohne Schwerkraft ganz andere Strömungsmuster entstehen, die eher den Bedingungen im Erdinneren entsprechen.
4. Vergleich mit früheren Weltraumexperimenten: Frühere Experimente in Schwerelosigkeit (z. B. auf Raumstationen) zeigten, dass sich Flüssigkeiten dort viel ruhiger und geordneter verhalten und man somit das All für genaue Ergebnisse braucht.
Frage: Auf der ISS gibt es jedoch keine normale Gravitation, aber für Ihr Experiment brauchten Sie steuerbare Gravitation. Wie haben Sie die künstliche Gravitation erzeugt?
Antwort: Die künstliche Gravitation wird nur durch die dielektrophoretische Kraftwirkung erzeugt. Hierzu wird Hochspannung zwischen den Kugelschalen angelegt und die Kugel wirkt wie ein Kugelkondensator, der auch rotieren kann.
Frage: Was haben Sie bei diesem Experiment schließlich herausgefunden?
Antwort: Mit dem GeoFlow-Experiment auf der Internationalen Raumstation konnte man erstmals sehr genau beobachten, wie sich Strömungen in einer rotierenden Kugelschale verhalten – also unter Bedingungen, die dem Erdinneren ähneln.
Zentrale Erkenntnisse:
1. Geordnete Strömungsmuster entstehen, die stark von Rotation und Temperaturunterschieden abhängen.
2. Einfluss der Rotation ist entscheidend: Die Drehung bestimmt, wie sich die Strömungen ausrichten und typische spiralförmige oder wellenartige Muster entstehen.
3. Bestätigung theoretischer Modelle: Viele vorher nur berechnete Modelle konnten experimentell bestätigt werden. Einige mussten aber auch angepasst werden, weil reale Strömungen komplexer sind.
Die Ergebnisse helfen dabei, die Konvektion im Erdmantel besser zu verstehen, Modelle für Plattentektonik, Vulkane und Erdbeben zu verbessern und allgemein Strömungsphysik in rotierenden Systemen genauer zu beschreiben.
Ablauf der Messungen: Das Experiment wurde über 8 Monate lang, 5 Tage die Woche von 8-17/18 Uhr laufen gelassen, also ungefähr 40 Stunden pro Woche. Dabei gab es viele Parameter, die jeweils eine Stunde dauerten. Die Strömung war durch die Temperaturveränderungen und Rotation unterschiedlich. Diese Messwerte wurden dann mit Simulationsmessungen auf dem Computer abgeglichen, um zu sehen, ob man die Werte vorhersagen kann. Die Strömungen können in verschiedenen Formen auftreten: radial, radialsymmetrisch und ringförmig (also entlang des Äquators). Am häufigsten wurden Oktaeder gefunden, das stimmt auch mit der Numerik überein.
Frage: Welche Schritte musste das Experiment durchlaufen, von der Idee bis zudem Moment, als es auf der ISS eingeschaltet wurde?
Antwort: 1999 gab es den ersten Antrag auf das Experiment, welcher 2000 genehmigt wurde. Ein französisch-britisch-deutsches Wissenschaftler-Team entwickelte das Modul unter Leitung der BTU. 2001 begann man mit dem Bau. Der Container war etwa so groß wie ein Schuhkarton und beinhaltete letztendlich den Rotationsteller und eine innere Kugelheizung, das Objektiv einer Kamera mit 5 Linsen und das Kugelschalenmodell. Die europäische Raumfahrtagentur (ESA) und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) förderten das Projekt. Die raumflugtaugliche Version des GeoFlow-Experiments wurde bei Astrum Space Transformation, Friedrichshafen, gebaut und für den Flug ins All getestet. Ein baugleiches Testmodul für Bodentests wurde an der BTU und in Neapel beim dortigen MARS-Zentrum auf den Einsatz im All geprüft. Nach fünf Jahren war der Bau dann abgeschlossen, wobei 2007 allerletzte Funktionstests in Friedrichshafen durchgeführt und Verbesserungen vorgenommen wurden. In Bremen wurde der Container dann in das Columbus-Modul integriert. Das Columbus-Modul wurde am 7. Februar 2008 mit dem Space Shuttle ins All gebracht und dort in zwei Außeneinsätzen an die ISS angekoppelt. Dort wurde er von dem Astronauten Hans Schlegel betreut.
Frage: Wieso baut Airbus immer zwei identische Experimente?
Antwort: Es gibt immer zwei identische Modelle, weil eins davon das Flugmodell ist, welches dann wirklich ins Weltall fliegt und das andere das Testmodell, womit man Funktionstests durchführen und die Lebensdauer überprüfen kann. Für diese Flugmodelle gibt es sogenannte Kontrollzentren, in denen Mitarbeiter am Boden kontrollieren und kommunizieren können.
Frage: Warum wird das Experiment nicht direkt hier in Cottbus gebaut, sondern von Airbus?
Antwort: Theoretisch wäre ein Bau in Cottbus durchaus möglich, weil für das Bodenmodell auch alle Bestandteile in Cottbus hergestellt wurden. Allerdings ist das sicherheitstechnisch ein Problem. Die Raumfahrtindustrie muss die Sicherheit gewährleisten und daraus folgt, dass es sicherheitstechnisch am besten ist, wenn eine Industriefirma, in diesem Fall Airbus, die Modelle baut. Denn hier in Cottbus sind bestimmte Sicherheitstests nicht möglich, wie eine Schüttelmaschine, um zu schauen, ob das Modell den Raketenstart überstehen kann.
Frage: Wie kamen die Daten von der ISS zu Ihnen zurück?
Antwort: Es gibt Kontrollzentren und ein solcher Kontrollraum befand sich damals hier bei uns, wo sich heute das SchoolLAB befindet. Die Daten wurden vom COF (also der Columbus Orbital Facility) zunächst an die NASA in Houston gesendet, gelangten dann nach Deutschland, wurden allerdings wieder in die EU verteilt und gelangten dann zur BTU in Cottbus. Dabei gab es aber einen großen Unterschied zwischen den technischen Daten, welche als binärer Code schnell mit nur 20 Sekunden Zeitverzug empfangen werden konnten, und den großen Bilddateien. Sie wurden über die Woche auf der Raumstation gespeichert und über das Wochenende nach Houston übertragen. Dann gab es eine Rückmeldung von Houston, ob alle Bilder angekommen sind und es konnte am Montag neu gesammelt werden.
Frage: Zur Zeit baut Airbus Ihr neues Experiment AtmoFlow. Was wollen Sie damit herausfinden?
Antwort: Das Nachfolgeexperiment AtmoFlow soll Strömungen in der Atmosphäre besser verstehen – also nicht mehr im Erdinneren wie bei GeoFlow, sondern in der Luft um die Erde. Auf der Internationalen Raumstation (ISS) soll mit diesem neuen Experiment unter Bedingungen der Schwerelosigkeit erforscht werden, wie sich eine Erwärmung der Polkappen auf Luft- und Meeresströmungen auf der Erde auswirken würde. Die entscheidenden Fragen sind: Wie bewegen sich Luftmassen bei Temperaturunterschieden? Wie entstehen Wind- und Zirkulationsmuster? Man will den Einfluss der Rotation der Erde untersuchen, die die Luftströmungen stark beeinflusst und für globale Wettersysteme entscheidend ist. Das Experiment soll also helfen, Wetter- und Klimamodelle zu verbessern und zum besseren Verständnis von Wettervorhersagen und langfristigen Klimaprozessen beitragen.
Frage: Was war für Sie persönlich der spannendste Moment, als das Experiment auf der ISS gestartet ist?
Antwort: Beim ersten GeoFlow-Experiment war das Spannendste der Transport im Februar 2008 mit dem SpaceShuttle ins All. Unser Modell wurde erstmal beiseite gestellt, weil biologische und humane Experimente zeitlich zuerst dran waren, denn unser Modell hatte eine lange Lebensdauer. Als dann die Information kam „morgen geht es los“ und die ersten Bilder zu sehen waren, hat man gesehen, dass es funktioniert. Beim zweiten GeoFlow-Experiment ließ man das Experiment nach kurzer Zeit 24 Stunden lang 7 Tage die Woche ununterbrochen laufen, weil man sich sicher war, dass alles funktionierte und da man so viel mehr Messwerte bekam. Allerdings musste die Arbeit so mit Sondergenehmigungen im Personal auf einen 3-Schicht-Betrieb aufgeteilt werden (3 x 8 Stunden am Tag). Das war sehr anspruchsvoll, aber die Mitarbeiter von der Bodenstation durften den Laptop am Abend und in der Nacht von zu Hause aus überwachen.
von Henriette Schmoger (10/1)
Bilder von Visch Poojitganont (10/1)
