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Parabelflüge: Von Merkels Maschine zum Forschungsflieger

Jahrelang flog er Kanzler und Minister. Nun dient der A310 der Bundesregierung der Forschung: Was passiert in der Schwerelosigkeit?
Zero-G - das Forschungsflugzeug für die Schwerelosigkeit

Zementi scheint seinen Spaß zu haben: Der weiße Hase tänzelt durch die Lüfte, er dreht sich, schwebt und schraubt sich immer höher. Und er macht auch mal einen Salto – besonders dann, wenn sein Halsband etwas zu fest an ihm zerrt.

Der Plüschhase mit dem verschmitzten Grinsen ist mehr als nur ein Labormaskottchen. Seine Purzelbäume und Pirouetten sind für Johann Plank das Signal, mit der Arbeit zu beginnen. Der Bauchemiker von der Technischen Universität München mischt Zement – allerdings nicht an der Laborbank, sondern an Bord eines Flugzeugs, eines so genannten Parabelfliegers. Dessen spezielle Flugbahn, dem Wurf eines Balls im Vakuum nachempfunden, garantiert 22 Sekunden lang Schwerelosigkeit. 31-mal hintereinander. Und jedes Mal beginnt Zementi zu tänzeln.

Bereits zum 27. Mal hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Wissenschaftler nach Bordeaux zu einer Parabelflugkampagne eingeladen, wie die Blöcke aus drei, manchmal auch vier oder fünf Flugtagen genannt werden. Und doch ist dieses Mal etwas anders: 15 Jahre und mehr als 400 Experimente lang schwebten Deutschlands Forscher in einem Airbus A300, Baujahr 1973. Nun kommt erstmals bei einer reinen DLR-Kampagne dessen Nachfolger zum Einsatz, ein A310. Zumindest mit einer berühmten Physikerin hat dieses Flugzeug bereits Erfahrung: Bis vergangenes Jahr brachte der Jet unter dem Namen "Konrad Adenauer" als deutscher Regierungsflieger Kanzlerin Angela Merkel, ihre Vorgänger und zahlreiche Minister sanft an ihr Ziel. Nun soll er als Parabelflieger Forscher an den Rand der Schwerkraft bringen – und darüber hinaus. Es ist eine Mission zwischen Hightech und Hemdsärmeligkeit.

Experiment während eines Parabelflugs | Der Kölner Sportwissenschaftler Stefan Schneider bereitet einen Probanden für ein Experiment vor, das während eines Parabelflugs stattfindet.

Ulrike Friedrich, die das DLR-Parabelprogramm seit den ersten eigenständigen Flügen im Jahr 1999 leitet, steht im hinteren Teil der Maschine. Die Biologin blickt auf eine 100 Quadratmeter große Experimentierfläche, ausgekleidet mit Schaumstoffmatten, bezogen mit weißem Kunstleder. Bis vergangenes Jahr standen hier Besprechungs- und Aufenthaltsräume, das Schlaf- und das Badezimmer der Kanzlerin. Himmelblauer Teppich, helles Holz, golden schimmernde Wasserhähne. Nun verteilen sich im grellen Neonlicht Schmelzöfen und Plasmakammern, biologische und medizinische Experimente.

Von Merkels Maschine zum Forschungsflieger

"Natürlich hätten wir den A300 weiter nutzen können, aber nach 41 Jahren wurde die Beschaffung der nötigen Ersatzteile immer teurer", sagt Friedrich. Folglich entschied die französische Firma Novespace, die im Auftrag des DLR, seines französischen Pendants CNES und der europäischen Raumfahrtagentur ESA die Parabelflüge betreut, ein neues Flugzeug zu kaufen. Bei der Luftwaffe, die ihre ausgemusterten Regierungsjets loswerden wollte, wurde sie vergangenen Herbst fündig.

Ein Schnäppchen sind Parabelflüge dennoch nicht: Etwa 1,5 Millionen Euro überweist das DLR pro Kampagne an Novespace. Zudem ist die Konkurrenz groß. Wissenschaftler, denen neun Sekunden Schwerelosigkeit für ihre Forschung reichen, können in den Bremer Fallturm gehen – eine 145 Meter hohe, luftleere Röhre. Mehr als sechs Minuten ohne Schwerkraft garantieren unbemannte Forschungsraketen, die das DLR etwa alle zwei Jahre startet. Für größere Projekte kann zudem ein Satellit gechartert werden. Und dann ist da noch die Internationale Raumstation ISS – ein schwereloses, allerdings mühsam zu erreichendes Labor. Verlässliche und regelmäßige Kampagnen, bei denen Experimente dutzendfach wiederholt werden können, sprechen in Friedrichs Augen für die Parabeln. "Vor allem aber sind solche Flüge unschlagbar, wenn wir Menschen für die Versuche benötigen", so die Biologin.

Michael Kalicinski, Sportwissenschaftler an der Deutschen Sporthochschule in Köln, zwickt seine beiden Probanden in die Wade – das Zeichen, dass sie loslegen sollen. Ihr Kopf und ihre Hände stecken in stockdunklen Zylindern. Ihr Oberkörper, der gerade noch auf eine Kiste gepresst wurde, beginnt sich zu heben, ihre Beine schweben unkontrolliert durch die Luft. "Wir stellen uns die Frage: Wo ist unten, wenn es kein Unten mehr gibt?", sagt Kalicinski. In ihrem Zylinder sehen die Probanden dazu einen Joystick, der aufleuchtet und den sie nach unten drücken müssen – oder in die Richtung, die sie dafür halten. Der Joystick wird dunkel, bewegt sich auf einer rotierenden Scheibe, taucht woanders erneut auf und muss wieder gedrückt werden. Manchmal hilft den Probanden dabei ein Pfeil, manchmal ein Griff zur Orientierung. Manchmal sind die visuellen Hilfen auch widersprüchlich.

Was tun, wenn das Licht ausfällt?

Auf der Erde ist klar: Schalter gehen nach unten aus, in Richtung der Schwerkraft. Aber in der Schwerelosigkeit? "Grundlagenorientiert" sei die Forschung, meint Kalicinski. Doch auch für die Orientierung von Astronauten könnten die Erkenntnisse interessant sein – wenn auf der ISS zum Beispiel das Licht ausfällt oder die Raumfahrer durch die Decke ins nächste Modul schweben und sich wieder zurechtfinden müssen. Schließlich sind oben und unten auf der Raumstation nur eine Frage der Definition und des Bodenbelags. "Wir versuchen dieses Experiment zum ersten Mal", sagt Kalicinski. "Der Ausgang ist offen. Vielleicht macht die Schwerelosigkeit ja gar keinen Unterschied."

David Heuskin, Ingenieur am DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum, hält sich an einem bordeauxfarbenen Kasten fest. Am Tag zuvor ist er für mehr als 500 absolvierte Parabeln ausgezeichnet worden. Die Anlage, die Heuskin betreut, hat sogar über 10 000 Parabeln auf dem Buckel: Tempus, das "tiegelfreie elektromagnetische Prozessieren unter Schwerelosigkeit", ist der Urvater der deutschen Parabelforschung. 1984 flog die Anlage erstmals auf einer amerikanischen Boeing KC-135, dann 14 Jahre lang auf dem alten Airbus A300, nun mit dem ehemaligen Regierungsjet. Und das besser denn je: "Das neue Flugzeug hat weichere Flügel, dadurch ruckeln die Parabeln nicht mehr so sehr, was unserem Experiment entgegenkommt", sagt Heuskin.

Der 34-Jährige schwebt vor einem Monitor. Stark vergrößert ist darauf ein etwa sechs Millimeter großes Kügelchen zu sehen, das sich gerade in der Anlage befindet. Ein Magnetfeld hält es an seinem Platz, ein zweites Feld bringt es zum Schmelzen. Das Kügelchen leuchtet hell auf, es tänzelt hin und her, es schwingt und erstarrt wieder. Alles in 22 Sekunden. Mit 30 000 Bildern pro Sekunde registriert eine Hochgeschwindigkeitskamera die Details. Forscher können daraus die Oberflächenspannung, die Viskosität und die Leitfähigkeit des Materials bestimmen – ohne die störende Schwerkraft, die auf der Erde alle Messungen beeinträchtigt. Die Erkenntnisse sollen unter anderem helfen, Gießprozesse am Boden zuverlässiger zu simulieren.

Auch nach 30 Jahren ist die Auslastung der Anlage noch immer hoch – obwohl inzwischen sogar ein Tempus-Ableger auf der ISS seine Arbeit verrichtet. Doch jedes Kügelchen, das zur Raumstation fliegen soll, muss sich zunächst auf Parabeln bewähren. Das Auf und Ab im Flugzeug hat noch einen anderen Vorteil: günstige Mitfluggelegenheiten für die Wissenschaftler. "Die Astronauten auf der ISS machen ohne Frage einen tollen Job, aber es ist natürlich etwas anderes, wenn Forscher selbst an den Reglern drehen können", sagt Ulrike Friedrich.

Johann Plank, der Zementmischer, braucht keine Regler. Er braucht nur seine Armkraft. Drei miteinander verbundene Spritzen – eine mit Wasser, eine mit Zement, eine mit dem Lösungsmittel Azeton – hat sein Team in versiegelte Plastikbeutel gepackt. Für jede Parabel liegt ein neuer Beutel bereit, nach drei Achterbahnfahrten wechselt die Zusammensetzung der Proben. Der Ablauf ist dagegen immer der gleiche: Wasser in den Zement drücken, Wasser aus dem Zement drücken, Azeton in den Zement drücken – um die Reaktion vollständig zu stoppen. "Auf der Erde kommt es beim Anmischen von Zement immer zu Defekten und fehlerhaften Anordnungen, man findet so gut wie nie einen perfekten Kristall", sagt der Bauchemieprofessor. Das ist aber wichtig, um die Prozesse zu verstehen. "Noch immer", sagt Plank, "kennen wir nur 80 Prozent dessen, was im Zement abläuft."

Wie sich die Kristallisation verbessern lässt und wo Hilfsstoffe andocken können, die frischen Zement zum Beispiel fließfähiger machen, wird sich allerdings erst im heimischen Labor zeigen. Dort will Plank dem schwerelos angemischten Baustoff mit Rasterelektronenmikroskopen und Röntgendiffraktometern zu Leibe rücken. Bis dahin ist aber noch etwas Arbeit nötig. Die Digitalanzeige ganz vorn in der Kabine kündigt gerade erst Parabel Nummer 21 an. Zementi beginnt schon wieder zu zappeln.

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