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Freitag, 15. Dezember 2017

Mikrogravitation

Täglich 100 Mal schwerelos

Von Henning Zander | 1. Juni 2017 | Ausgabe 22

In Hannover wird einer der weltweit innovativsten Falltürme gebaut. Etwa alle 4 min sollen Objekte in einer Kapsel für je 4 s schwerelos werden.

S16 BU
Foto: HITec

Verbunden sind beide Tragwerke nur durch die Kupplungsstange unter der Gondel. Gelb ist das Tragwerk zur Gondelführung, blau das zur Antriebsführung und rot die Antriebswagen.

Einen voll beladenen VW-Bus in einer halben Sekunde auf 72 km/h beschleunigen – etwas Vergleichbares soll der Fallturm namens „Einstein-Elevator“ leisten, der in Hannover kurz vor der Fertigstellung steht. Statt eines Kleinbusses katapultiert er eine 2,7 t schwere Gondel mit Versuchsaufbauten in einen vertikalen Parabelflug, um in annähernder Schwerelosigkeit experimentieren zu können.

„Wir wollen Schwerebedingungen für die Erforschung unterschiedlichster Phänomene im Weltall nachstellen“, erklärt Projektleiter Christoph Lotz, der die Planung des Turms und den Bau des dazugehörenden Hannover Institute of Technology (HITec) seit 2011 betreut. In Zukunft sollen Experimente möglich werden, bei denen die Erdanziehungskraft normalerweise zu dominant ist, um Effekte zu messen.

Für die hohe Beschleunigung sorgt ein Linearmotor. Das heißt, der aktive Teil des Motors befindet sich in den Schienen und nicht am Gefährt. Das Funktionsprinzip ist artverwandt mit dem Antrieb des Transrapids. „Wir nutzen aber nur die Vortriebskraft und führen den Wagen über Rollen“, sagt Lotz. Beim Transrapid sorgt der Motor auch für die Führung, also das Schweben.

Der Linearmotor unterstützt aktiv den Flug der Gondel und kompensiert den Luft- und Rollwiderstand durch Nachregelung.

Die Beschleunigungsstrecke ist nur 5 m lang. Danach rollt die Gondel, die das Experiment beherbergt, weiter den 36 m langen Turm hinauf. Die Gondel ist innen vakuumiert und bremst unabhängig vom Experimentalaufbau. Das heißt, während dieses „Flugs“ schwebt der Aufbau für bis zu 4 s in annähernder Schwerelosigkeit.

So, wie es Einstein feststellte: Ob man sich im Weltraum befindet oder ohne Berührungspunkt zur Umgebung in einem geschlossenen Raum, mit dem zusammen man fällt, spielt keine Rolle. In beiden Fällen fühlt man sich schwerelos.

4,8 MW an Leistung müssen für die starke Beschleunigung an der Spitze verfügbar sein. Dazu nutzt die Anlage SuperCaps genannte Kondensatoren. Hier liegt auch eine der Herausforderungen des Projekts: Es gibt so gut wie keine Anwendungen, in denen eine so hohe Leistung über einen so kurzen Zeitraum erbracht werden muss und dabei so fein gesteuert wird.

Der Energieverbrauch hält sich in Grenzen, da die Leistung nur für eine halbe Sekunde benötigt wird. „Der Preis pro Schuss bewegt sich im Bereich von Cent-Beträgen“, sagt Lotz. Sogar die Gebäudebeleuchtung ziehe mehr Strom. Die Lichter in Hannover flackern also nicht, wenn der Turm seinen Dienst antritt.

 Innerhalb von 4 min sind die Kondensatoren über ein 15 kW Ladegerät wieder aufgeladen und bereit für den nächsten Versuch. Das ist auch das Alleinstellungsmerkmal des Lifts, denn Falltürme gibt es bereits in Deutschland, sogar höhere.

Einer der bekanntesten und weltweit wichtigsten davon, in dem Experimente unter Mikrogravitationsbedingungen stattfinden können, steht in Bremen. Er ist 146 m hoch, die Fallröhre ist 120 m lang. Dadurch sind parabolische Flüge mit einer Dauer von bis zu 9,3 s möglich. Doch in Bremen können derzeit lediglich drei pro Tag stattfinden.

„Bei physikalischen Experimenten – etwa aus dem Feld der Quantenoptik – braucht man eine größere Anzahl Versuche, um winzigste Effekte auf subatomarer Ebene statistisch überhaupt nachweisen zu können“, sagt Lotz. Hier setzt der Einstein-Elevator an. Zwar ist die maximale Dauer der Testphasen nur etwas mehr als halb so lang wie in Bremen, dafür sollen hier 100 Versuche an einem Arbeitstag (8 h) stattfinden können.

Wie sich Gravitation auf additive Verfahren auswirkt, das ist ein weiteres Experiment auf der Liste der Forscher. 3-D-Druck soll einmal dabei helfen, Mars-Missionen zu unterstützen. Wenn zum Beispiel Werkzeuge oder Bauteile im Weltraum kaputtgehen, könnten sie ohne das Mitführen von Ersatzteilen durch 3-D-Druck ersetzt werden.

 Doch das herkömmliche additive Verfahren zur Herstellung metallischer Strukturen, in dem Pulver Schicht für Schicht aufgetragen wird, funktioniert in der Schwerelosigkeit nicht. Das Pulver würde sich in alle Richtungen verteilen – nur nicht dort bleiben, wo es aufgeschmolzen werden soll. Im Turm können nun neue Fertigungsverfahren in aufwendigen Versuchsaufbauten getestet werden.

Die Anlage ist für einen weiteren Aspekt nützlich. Denn nicht immer brauchen die Forscher Schwerelosigkeit. Interessant seien auch partielle und erhöhte Schwerebedingungen, sagt Lotz. Dadurch könnten zum Beispiel Experimente unter Bedingungen durchgeführt werden, wie sie auf dem Mond oder dem Mars herrschten oder wie sie bei einem Raketenstart aufträten.

Seit 2014 wird gebaut, und der Kern des Einstein-Elevators ist schon fertig: zwei Stahltürme – der eine steht innerhalb des anderen, jeweils mit einem eigenen Ringfundament mit 12 m tiefen Bohrpfählen. Nur wenn die Experimente nicht durch Schwingungen und äußere Einflüsse gestört werden, können valide Testergebnisse erzielt werden. Vibrationen erzeugen sowohl der Motor am inneren Turm als auch die Rollen der Gondel, die in den Führungsschienen des äußeren Turms laufen. „Wir entkoppeln den Antrieb und die Gondelführung“, sagt Christoph Lotz. Der einzige Punkt, an dem sich beide Türme berühren, sei die gelenkig ausgeführte Koppelstange unter der Gondel. Und die lasse nur vertikale Kraftübertragung zu.

Foto: HITec

Ohne Seil: Mit einem Linearmotor wird die Gondel den Turm hinaufgeschossen.

 Insgesamt ist die Stahlkonstruktion über 170 t schwer und rund 36 m hoch. Da die Stadtverwaltung bei den Planungen, die seit 2009 laufen, kein Gebäude über 30 m erlaubte, sind 10 m unterirdisch angelegt. „Im Nachhinein ein Glücksfall, denn durch den härteren Boden in größerer Tiefe werden der Laborbau und die Nachbargebäude mit ihrer äußerst sensiblen Messtechnik weniger beeinflusst“, sagt der Projektleiter.

Höchste Präzision war beim Bau notwendig. Auf einer Strecke von 30 m dürfen die Stahlkörper maximal 1 mm von ihrer Ausrichtung abweichen. Dafür ist das Gebäude, in dem der Turm aufgestellt ist, durch ein ausgeklügeltes Belüftungssystem klimatisiert. Die Temperatur muss auf konstant 20 °C gehalten werden. Über das Jahr hinweg darf die Temperatur um lediglich 2 °C nach oben und unten schwanken.

Ende 2017 sollen der Turm und der Forschungsbau daneben in Betrieb genommen werden. Dann können Nutzlasten mit einem Durchmesser von bis zu 1,7 m, einer Höhe von bis zu 2 m und bis zu einer weiteren Tonne Gewicht zum Schweben gebracht werden. Und wer weiß: Vielleicht wird beim ersten Flug zum Mars tatsächlich Technik mit dabei sein, die zum Teil in der Schwerelosigkeit von Hannover ihre ersten Bewährungsproben absolvierte.

Förderhinweis: Der Einstein-Elevator sowie das Hannover Institute of Technology sind ein durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) mit ca. 34 Mio. € gefördertes Projekt. Der Einstein-Elevator sowie das Hannover Institute of Technology sind hervorgegangen aus dem Exzellenzcluster Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research (QUEST) der Leibniz Universität Hannover. Die Planung und Realisierung von Turm und Gebäude führen seit Oktober 2011 gemeinsam Forschern aus den Fachbereichen Physik (Institut für Quantenoptik) und Maschinenbau (Institut für Transport- und Automatisierungstechnik) durch. Auch die Nutzung dieser Infrastrukturen ab Anfang 2018 wird von diesem Team organisiert.

http://www.is.gd/EinsteinElevator

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