Neuland

Funkloch im Plasma

Wie Wilfried Goldacker, Sonja Schlachter und Hong Wu Astronauten beim Eintritt in die Erdatmosphäre schützen möchten.

Am 1. Februar 2003 starben sieben Menschen in knapp 70 Kilometer Höhe über Texas, als die Raumfähre Columbia beim Eintritt in die Erdatmosphäre auseinanderbrach. Schuld an dieser Tragödie war eine beim Start unbemerkt abgefallene Hitzekachel, das entstandene Loch am Flügel wurde zur Achillesferse der Columbia. Durch sie drang beim Wiedereintritt in die Atmosphäre heißes Plasma ein, das innerhalb kurzer Zeit die Tragflächen und in Folge die gesamte Konstruktion der Raumfähre beschädigte. Weltweit untersuchen Raumfahrtbehörden, wie sich die Besatzungen und Raumfahrzeuge besser schützen lassen. Dabei steht neben dem Hitzeschutz auch das Phänomen von Kommunikationsunterbrechungen durch das beim Wiedereintritt entstehende Plasma im Fokus. Eine Idee zur Minderung des Phänomens besteht darin, Plasmapartikel gezielt durch Magnetfelder umzuleiten. Ein KIT-Forscherteam hat in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem russischen IOFFE-Institut im Projekt COMBIT ein Magnetsystem zur Beeinflussung des Plasmas entwickelt und erfolgreiche Bodentests durchgeführt. „Unser konkretes Projekt zielt vor allem auf den Erhalt der Kommunikation“, so Wilfried Goldacker vom KIT-Institut für Technische Physik.

Denn die elektrisch geladenen Teilchen im Plasma sorgen dafür, dass für eine gewisse Zeit keine Radiowellen von oder zu Bodenstationen oder Satelliten durchdringen können. So bricht nicht nur die Sprachkommunikation zwischen Besatzung und Bodenstation, sondern auch die Positionsbestimmung mittels GPS und jegliche Datenübertragung für einen gewissen Zeitraum ab. Bei verschiedenen Missionen wurden in der Vergangenheit Kommunikationsunterbrechungen von einigen Sekunden oder Minuten beobachtet, bei den frühen Space-Shuttle-Flügen dauerten sie sogar bis zu einer halben Stunde. Dieser Radio Blackout ist gefährlich: „Ziel ist es daher, während des Erdeintritts sozusagen ein ‚Loch‘ im Plasma zu schaffen, um den Funkkontakt aufrechtzuerhalten“, erklärt Sonja Schlachter, die mit ihrem Kollegen Hong Wu die wissenschaftlichen Arbeiten rund um den Aufbau des neuen Magneten betreut hat. Die Methode zur Abschwächung des Radio Blackouts basiert auf magneto-hydrodynamischen Effekten. Dabei wird mithilfe von gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern der Plasmafluss gezielt umgeleitet, um im Bereich von Sendern oder Antennen am Raumfahrzeug Freiräume für die Radiowellen zu schaffen.

„Die Arbeit an einem supraleitenden Magneten für den Einsatz in der Raumfahrt ist extrem spannend, weil wir unsere Technologien einem komplexen Gesamtsystem anpassen müssen. Dabei lernt man viel Neues und steht unter dem Druck, etwas verlässlich Funktionierendes abzuliefern.“

Dr. Sonja Schlachter

Um dieses Loch im Plasma überhaupt erzeugen zu können, braucht es ein sehr hohes Magnetfeld. „Das ist mit gebräuchlichen Permanentmagneten nicht machbar. Wir setzen daher Hochtemperatur-Supraleitermagnete ein, die ein viel größeres Streufeld erzeugen können“, so die Physikerin Schlachter, die sich schon seit 20 Jahren mit supraleitenden Materialien beschäftigt und ebenso wie ihre Kollegen am KIT die nötige Erfahrung in die Magnetentwicklung einbringt. Rund drei Jahre haben die Forscher benötigt, um ein Magnetsystem zu entwickeln und es im Plasmatunnel des DLR in Köln zu testen. Das entwickelte System würde beim Einsatz am Raumfahrzeug unterhalb der Außenwand liegen, so Schlachter: „Die größte Herausforderung dabei war die Geometrie. Das gesamte Magnetsystem inklusive Kühlung für den Supraleiter durfte im Experiment nur zehn Zentimeter Durchmesser aufweisen, musste praktisch in eine spezielle Thermoskanne passen und dabei ist der Magnet so eingepasst, dass er möglichst nah beim Plasma liegt und trotzdem nicht warm wird.“

Die Bodenexperimente im Plasmakanal zeigen: die Methode zur Abschwächung des Radio Blackouts und das Magnetsystem funktionieren grundsätzlich. Ein Einsatz supraleitender Magnete wäre auch bei einer bemannten Marsmission denkbar, bei der die Astronauten vor einer immensen kosmischen und solaren Strahlenbelastung geschützt werden müssten.Weltweit wird dabei in internationalen Kollaborationen der Einsatz viel größerer Magnete diskutiert, die große Flächen abschirmen können. Bis zum Einsatz in der bemannten Raumfahrt ist es jedoch noch ein weiter Weg, sagt Sonja Schlachter: „Dafür müssen supraleitende Magnetsysteme hinsichtlich Bauart, Gewicht, Energieverbrauch und Lebensdauer noch wesentlich weiterentwickelt werden. Wir hoffen trotzdem, dass wir irgendwann unsere Magnete in den Weltraum starten sehen.“