AMS: Astronauten bereiten sich an RWTH Aachen auf ISS-Einsatz vor

Neue Kühlung für ISS-Experiment : Hightech aus Aachen soll das Universum erklären

ISS-Astronauten für Training in Aachen

Wer im Winter schon mal versucht hat, mit dicken Fäustlingen einen lockeren Knopf an einer Jacke zu schließen, weiß, wo Präzision aufhört und Grobmotorik anfängt. Es erfordert Geduld – und je nach Knopfgröße auch viel Übung.

Erst recht, wenn der Knopf 1,5 Milliarden Dollar wert ist und dessen Verlust das Ende eines Experiments bedeuten würde, das nicht weniger als eine der fundamentalen Fragen der Physik klären will: Wie ist das Universum entstanden?

Damit auf diese Frage eines Tages eine Antwort gefunden werden kann, werden die Astronauten Luca Parmitano (Italien), Andrew Morgan (USA), Christopher Cassidy (USA) und Jeremy Hansen (Kanada) in einigen Monaten im Weltall natürlich nicht mit Knöpfen arbeiten. Geschick ist dennoch gefordert. Ihr Arbeitsgerät trägt den sperrigen Namen Alpha-Magnet-Spektrometer, kurz AMS, und ist 400 Kilometer von der Erde entfernt auf der Internationalen Raumstation ISS angedockt. Der 1,5 Milliarden Dollar teure Teilchendetektor misst seit 2011 kosmische Strahlung. Und er benötigt dringend ein neues Kühlsystem. Dessen Entwicklungsschmiede: die RWTH Aachen.

Drei Jahre lang hat ein 70-köpfiges Team das neue Kühlsystem mitten auf dem Campus Melaten in enger Zusammenarbeit mit dem Massachusetts Institute of Technology (MIT), der Nasa und anderen internationalen Forschungseinrichtungen entwickelt und gebaut. Das Ergebnis ist ein 200 Kilogramm schwerer Kasten, gefüllt mit anspruchsvollster Technik, der etwa so groß ist wie ein Kühlschrank. „Ein sehr teurer Kühlschrank“, wie Professor Stefan Schael betont. Schließlich dürfte er einen Wert von etwa 20 Millionen Euro haben.

„20-Millionen-Euro-Kühlschrank“ abgeschlossen

Schael leitet das 1. Physikalische Institut der RWTH und ist damit nicht nur für die Entwicklung des Hightech-Kühlsystems verantwortlich, sondern auch einer der maßgeblichen Treiber des AMS-Experiments. Während die Laufzeit dieses Forschungsprojekts mit dem neuen Kühlsystem um weitere zehn Jahre verlängert werden soll, ist das Projekt „20-Millionen-Euro-Kühlschrank“ aus Aachener Sicht nun weitestgehend abgeschlossen. Jetzt müssen nur noch die Astronauten vor ihrem Start abschließend vorbereitet werden. Wobei „nur“ eine Untertreibung ist.

Denn das, was den Männern im Weltall bevorsteht, ist nicht nur äußerst knifflig. Es ist auch noch gefährlich. Laut Schael ist es die komplizierteste Mission, die die Nasa bisher im Weltall durchgeführt hat. Um das defekte Kühlsystem – von vier Pumpen sind bereits drei ausgefallen – im Außeneinsatz zu ersetzen, müssen die Astronauten tief in das Experiment hineindringen.

Acht filigrane Kühlschläuche sind zu kappen. Diese müssen gefunden, durchtrennt und mit dem neuen System verbunden werden. „Und zwar so, dass es im Vakuum dicht ist“, gibt Schael zu bedenken. Es ist eine Arbeit, die äußerste Präzision erfordert. Schließlich sind die Leitungen gerade mal vier Millimeter dick. Damit die Männer das auch mit Fausthandschuhen schaffen, hat die Nasa für den Einsatz rund 30 neue Werkzeuge entwickelt.

Platz für Fehler ist im Raum der unendlichen Weiten nicht. Ein falscher Handgriff, ein fehlendes Werkzeug, und das ganze Experiment wäre gefährdet. Es ist eine Choreografie, die bis zum Ermüden einstudiert wird. Für jeden Handgriff gibt es ein Skript. „Allein die Frage, wie sich die Astronauten in der Schwerlosigkeit bei Bewegungen abstützen, muss genau überlegt sein“, erläutert der Aachener Professor. Fünf Weltraumeinsätze sind für die Installation nötig. Insgesamt dürfte sie drei Wochen dauern.

„Das Alpha-Magnet-Spektrometer-Experiment“: Die Lage des AMS an der ISS. Foto: NASA/ZVA-Infografik

Deshalb bereiten sich die vier Astronauten, von denen allerdings nur zwei den Außeneinsatz durchführen werden, seit Jahren auf ihre Mission vor. Das Training fand zuletzt unter Wasser in einem Swimming-Pool an einem 1:1-Modell statt, um Weltraum-Bedingungen zu simulieren. Seit dieser Woche machen sie sich mit dem Original in Aachen vertraut. „Wir haben in Houston zwar an sehr guten Modellen trainiert, doch nichts ersetzt die Erfahrung, Hand ans echte Equipment zu legen“, betont Cassidy. Die Astronauten begaben sich auch in virtuelle Realitäten. In der Aix Cave des IT Centers der Hochschule, einer der weltweit größten fünfseitigen Virtual-Reality-Installationen, konnten sie das AMS im Originalmaßstab besuchen. „Die Astronauten riskieren ihr Leben dafür“, sagt Schael. „Unsere Aufgabe ist es, sie dabei zu unterstützen, dass sie ihre Aufgabe erfüllen können.“

Die neue Kühlung aus Aachen ist deshalb so wichtig, weil das sieben Tonnen schwere, wohnwagengroße Spektrometer nicht nur neue Erkenntnisse über das Universum produziert. Es produziert vor allem auch eins: Wärme. Zwar ist es im Weltall bitterkalt. Doch in einem Vakuum kann diese Wärme nicht ohne Weiteres abgegeben werden, erläutert Schael. Deshalb muss flüssiges CO2, das durch den Detektor gepumpt wird, für die entsprechende Temperatursenkung sorgen. Im September wird Professor Schael das neue Kühlsystem persönlich der Nasa übergeben. Im Oktober geht es dann zur ISS. Läuft alles nach Plan, können die Astronauten ab November ihre Arbeit auf der „Baustelle AMS“ aufnehmen.

Auch ein Nobelpreisträger wird diesen Fortgang genau beobachten. Professor Samuel C. C. Ting vom MIT, der 1976 den Physiknobelpreis erhielt und 2004 Ehrendoktor der RWTH wurde, leitet das AMS-Experiment, an dem insgesamt 60 Forschungsinstitute aus 16 Ländern zusammenarbeiten. Das 1. Physikalische Institut der RWTH nimmt dabei – nach dem MIT und Ting – eine federführende Rolle ein. Auch das Forschungszentrum Jülich ist beteiligt. „Die Hälfte der Nutzlast wird von Dingen gehalten, die wir an der RWTH gebaut haben“, sagt Schael nicht ohne Stolz. Der Nobelpreisträger hat offensichtlich Vertrauen in die Aachener Wissenschaftler: „Wir vertrauen und respektieren uns gegenseitig. Aber wir teilen auch eine gewisse Portion Misstrauen. Denn im Weltraum kann ein Fehler der letzte sein“, sagt Ting am Freitag, als er das Kühlsystem mit hochrangigen Vertretern der Nasa in Aachen selbst in Augenschein nimmt.

500 Bilder pro Sekunde

Dass eine deutsche Universität Großkomponenten für die Raumfahrt entwickelt, hätte sich Schael vor seiner Tätigkeit bei der RWTH nicht ausmalen können. Zumal es sich beim AMS um das größte Experiment zur Grundlagenforschung auf der Raumstation handelt. Kernstück des komplexen Aufbaus ist ein Mag­net, der geladene Teilchen aus ihrer Bahn ablenkt. Denn um zu verstehen, wie das Universum entstanden ist, müsse man zunächst die Physik im Weltall verstehen, erläutert Schael. Und dafür benötige man Daten. Der Physiker vergleicht das AMS mit einer Fotokamera. „Wir fotografieren kosmische Strahlung und machen etwa 500 Bilder pro Sekunde.“ Seit 2011 wurden 130 Milliarden Teilchen aufgezeichnet. Von besonderem Interesse ist die Suche nach Antimaterie und dunkler Materie.

Das Experiment ist teuer und aufwendig, die konkreten Auswirkungen noch unklar. Schael ist trotzdem voll und ganz vom AMS überzeugt. „Es hat sich in der Vergangenheit bewährt, dass wir grundlegende Fragen der Physik beantwortet haben“, sagt er mit Blick auf Max Planck, mit Blick auf Albert Einstein. Ohne ihre Erkenntnisse gäbe es heute keine Computer, keine Laser, kein Facebook und kein Apple. „Mit solchen Experimenten lernen wir, die Grundlagen der Physik zu klären. Und das ist die Voraussetzung für Fortschritt.“ Deshalb hat der RWTH-Professor auch schon längst das Folgeprojekt im Blick: AMS-100. „Das kann alles, was AMS kann – nur 1000 Mal besser.“

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