Die Internationale Raumstation
Die Schwerkraft ist auf der Erde allgegenwärtig. Alle physikalischen, chemischen und biologischen Vorgänge laufen unter dieser Bedingung ab. Dabei spielt die Schwerkraft eine unübersehbare Rolle: Gegenstände fallen zu Boden, Wasser fließt ins Tal und warme Luft steigt nach oben. Bei vielen Vorgängen in Natur und Technik ist der Einfluß der Schwerkraft jedoch nicht unmittelbar zu erkennen. Die Schwerkraft ist aber auch hier von grundsätzlicher Bedeutung. Dadurch ergibt sich für wichtige Bereiche in der Medizin, der Biologie, der Physik und in den Materialwissenschaften die Notwendigkeit, unter Weltraumbedingungen zu forschen.
Forschen unter Weltraumbedingungen bedeutet hauptsächlich veränderte Schwerkraftbedingungen. Dabei beobachten die Wissenschaftler zum Beispiel, wie Organismen reagieren und wie biologische Vorgänge unter diesen Bedingungen ablaufen. Im Falle der Materialforschung werden Abläufe zum Beispiel in Metalllegierungen im All untersucht. Dies wird gemacht, um Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften zu gewinnen, die dann Auswirkungen auf Vorgehensweisen auf der Erde haben können. So kann das Forschen unter Schwerelosigkeit zum Beispiel Fertigungsprozesse beeinflussen, wenn neue Wege entdeckt werden wie sich Metall beim erstarren verhält. Potentiell könnten dadurch dann neue Motoren in der Autoindustrie leichter und effizienter werden.
Auf der Erde gibt es nur die Möglichkeit mittels Falltürmen, Höhenforschungsraketen und Parabelflügen Schwerelosigkeit von meistens nur ein paar Sekunden zu erlangen. Dies reicht natürlich nur für sehr kurze Experimente. Die Internationale Raumstation (ISS) ist deswegen für diese Forschung ein idealer Platz, da hier die Möglichkeit besteht in dedizierten Experimentracks Forschung über Tage und Wochen am Stück durchzuführen und dadurch die auf der Erde ebenfalls durchgeführten Experimente zu ergänzen.
MSL
Das Materials Science Laboratory (MSL) ist eine Nutzlast der europäischen Weltraumorganisation (ESA) an Bord der Internationalen Raumstation (ISS). MSL ist integriert in das Materials Science Research Rack (MSRR) der NASA und befindet sich seit August 2009 im Orbit im Destiny Modul der ISS. Seitdem hat MSL bereits eine Vielzahl von Experimenten erfolgreich durchgeführt.
MSL dient im Eigentlichen dem Schmelzen und der kontrollierten Solidifikation von Werkstoffen. Hierbei soll das Verständnis der Einflüsse von Schwerelosigkeit auf die Prozesse beim Erstarren von Metallen verbessert werden. Dadurch sollen wichtige Rückschlüsse auf die Gefügeentwicklung bei Gießprozessen gezogen werden, mit dem Ziel diese auf der Erde zu verbessern.
Die Nutzlast besteht aus fünf Modulen, der zentralen Kammer in dem unter Vakuum prozessiert wird, zwei Steuerungscomputern, dem Gasvorrat und einem Modul für die Versorgung mit Gas, Wasser und Vakuum. In der Vakuumkammer befindet sich ein auswechselbarer Ofeneinschub, der auf Schienen gelagert ist. Dementsprechend kann sich dieser während eines Experiments bewegen, was einen zentralen Aspekt des Prozessierens ausmacht. Die eigentlichen Proben sind in Kartuschen eingebaut, die von den Astronauten eine nach der anderen fest in die Kammer eingebaut werden können.
Insgesamt ist die Interaktion der Astronauten mit der gesamten Anlage eher beschränkt. Es gibt nur eine sehr geringe Anzahl an Wartungsarbeiten und die Hauptaufgabe der ISS Crew ist die Kartuschen zwischen den Experimenten auszutauschen. Die eigentlichen Experimente werden ausschließlich vom Boden aus kontrolliert. Dabei liegt die Verantwortung für MSRR bei der NASA in Huntsville und für MSL beim Microgravity User Support Center (MUSC) des DLR in Köln.
Experimentablauf
Es gibt mehrere verschiedene Wissenschaftlerteams für MSL Experimente, mit Mitgliedern aus Europa und den USA. Bisher prozessiert wurden Proben der Teams MICAST, CETSOL und SETA. Diese Experimente bzw. Experimentklassen unterscheiden sich in Ihrer Zielsetzung und in den Details, also wie genau während des Prozessierens vorgegangen wird. Allerdings ist der grundsätzliche Aufbau immer ähnlich. Das folgende Bild stellt einen typischen Temperaturverlauf dar.
Dabei wird zunächst über Turbopumpen ein Vakuum in der Kammer erzeugt, das Limit ab dem ein Prozessieren möglich ist liegt bei 0.0003 mbar. Anschließend werden die Heizerelemente des Ofens auf eine Anfangstemperatur auf 500°C (bzw. 400°C, je nach Probenmaterial) gebracht, was unter der Schmelztemperatur des zu untersuchenden Metalls liegt.
Sobald die ISS Crew schlafen geht wird die „heiße Phase“ eingeleitet und die Heizer auf Zieltemperatur gebracht (je nach Experiment zwischen 750°C und 1100°C). Das Abstimmen mit der Schlafphase der Astronauten hat den Zweck, daß die Störeinflüsse durch Bewegungen in der Raumstation minimiert werden sollen. Sobald die Zieltemperatur erreicht ist, fängt der Ofen an zu fahren. Dabei bewegt er sich zunächst ganz nach vorne, auf ca. 3mm. Anschließend fährt er in wohldefinierten Geschwindigkeiten (mal schneller, mal langsamer) auf die Endposition von ca. 150mm.
Die Auswertung der Experimente erfolgt dann einige Monate später, wenn die Proben zurück auf der Erde sind, da aus den reinen Telemetriedaten kaum Rückschlüsse auf das Ergebnis des Experiments gezogen werden kann. Die Proben müssen dafür aufwendig analysiert und unter Mikroskopen betrachtet werden. Auf den folgenden Seiten kann, wenn Experimente durchgeführt werden, die Telemetrie der Heizer- und Probenthermoelemente, sowie die Bewegung des Ofens live verfolgt werden.
