Seit mehr als zehn Jahren ist die Internationale Raumstation ISS in Betrieb und bildet unseren bemannten Außenposten. Sie ist eine der größten internationalen Kooperationen, mit Russland und Amerika federführend an der Spitze. Hauptsächlich politisch entschieden, um auch den kalten Krieg zu überwinden, bietet die ISS jetzt hervorragende Möglichkeiten für die Wissenschaft den Einfluss der Schwerkraft am Menschen und auf Materialien zu untersuchen. Nebenbei ist sie Technologietreiber für zukünftige bemannte und unbemannte Missionen in den nahen und ferneren Weltraum.
Grundlagenforschung wird auf der ISS in unterschiedlichsten Gebieten, wie z.B. in der Medizin oder der Materialforschung, durchgeführt. Das erste größere naturwissenschaftlichen Labor wurde in russisch-deutscher Kooperation schon 2001 von der ersten permanenten Crew in Betrieb genommen: das Plasmakristall-Labor PKE-Nefedov. Während die anderen ISS Partner NASA, ESA und JAXA auf ihre Labormodule warten mussten, konnten wir mit unseren russischen Partnern dieses Labor im russischen Teil der ISS unterbringen und in Betrieb nehmen. Ein perfekter Deal zwischen den Agenturen ROSCOSMOS und DLR hat der deutschen Seite, die eigentlich nur indirekt über die ESA Ressourcen auf der ISS hat, diesen Schritt ermöglicht: Deutschland war dabei für die Konstruktion, Fertigung und Qualifikation des Labors zuständig, während Russland für Transport zur und Unterbringung auf der ISS, Crewtraining und -zeit, Organisation und Durchführung der Experimente zuständig war. Die Wissenschaftler, also das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und das Akademieinstitut „for High Temperatures“ in Moskau, profitierten von diesem Deal, da die wissenschaftlichen Ergebnisse gemeinsam ausgewertet und publiziert wurden.
Die Plasmakristallforschung, oder allgemeiner die komplexe Plasmaforschung, ist eine relativ junge Forschungsrichtung, die seit 1994 existiert und stark gewachsen ist. Ein Plasma ist ein ionisiertes Gas, also nach dem festen, dem flüssigen und dem gasförmigen Zustand der vierte und ungeordnetste Zustand der Materie. Ein Plasmakristall ist also an sich schon ein unmöglicher Zustand der Materie – eine Kristallisation in einem normalen Plasma ist nicht möglich. Nur durch die Zugabe von kleinen, festen Partikeln in der Größe von ca. ein Tausendstel mm, auch manchmal Staub genannt, kann das Plasma kristallisieren. Die Staubpartikel laden sich im Plasma durch die Wechselwirkung mit den freien Elektronen und Ionen auf, teilweise bis zu einigen tausend Ladungen auf einem einzigen Partikel. Sind genügend geladene Partikel im Plasma, dann können diese sich durch die gegenseitige elektrostatische Abstoßung in regelmäßigen Strukturen anordnen. Durch diese Selbstorganisation können die Partikel dann eine Flüssigkeit oder einen Festkörper bilden. Das besondere an den Plasmakristallen ist die Möglichkeit einzelne Partikel, also einzelne „Gitteratome“, dynamisch verfolgen und Vorgänge wie z.B. das Schmelzen oder die Bewegung von Gitterdefekten direkt untersuchen zu können. Dies ist möglich da die Partikel sehr groß sind und sich in sehr großen Abständen von ca. einigen zehntel mm anordnen. Zu Beobachtung reicht dann einfache Mikroskopie mit geringer Vergrößerung aus.
Da die Partikel so groß und damit natürlich auch schwer sind spielt die Schwerkraft eine große Rolle bei der Erzeugung der Plasmakristalle. Im Labor lassen sich nur kleine fast zweidimensionale Kristalle untersuchen. Größere Systeme benötigen Schwerelosigkeit, die natürlich auf der ISS hervorragend gegeben ist. Andere Möglichkeiten solche Experimente durchzuführen bieten Parabelflüge, der Fallturm in Bremen oder Forschungsraketen.
PKE-Nefedov war bis 2005 auf der ISS in Betrieb und es gilt wissenschaftlich als deren erfolgreichstes und ertragreichstes Experiment. Seit 2006 ist das Nachfolgelabor PK-3 Plus auf der ISS in Betrieb und liefert, wie sein Vorgänger, hervorragende Ergebnisse. Es soll bis 2013 betrieben werden, bis dann das Labor der dritten Generation PK-4, diesmal in Kooperation zwischen ESA und ROSCOSMOS auf dem Columbus-Modul in Betrieb genommen werden soll.
Dr. Hubertus Thomas wird im nächsten Café & Kosmos versuchen, den Besuchern die Plasmakristall-Wissenschaft und natürlich die dafür benötigte Internationale Raumstation ISS näher zu bringen.
