MPE Jahresbericht 1999 / MPE Annual Report 1999


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Experimentelle Entwicklung und Projekte /
Experimental Development and Projects

5. Plasmakristall 5. Plasma Crystal
Weltraumtaugliches Plasmakristallexperiment für die internationale Raumstation Space-borne Plasma Crystal Experiment for the International Space Station
Die größte Einschränkung beim Studium von komplexen Plasmen ist die Schwerkraft. Eigenschaften wie Oberflächenwellen, Grenzschichten, Oberflächenspannung, Wechselwirkung zwischen verschiedenen kolloidalen Medien, Reibung, Viskosität, anziehende Kräfte zwischen benachbarten Teilchen usw. erfordern mikro-Schwerkraft-Bedingungen zur systematischen Untersuchung über einen weiten Parameterbereich. Zahlreiche mikro-g Umgebungen existieren: Parabelflüge, Höhenforschungsraketen, Satelliten und die Raumstation.

Gravity is the major constraint for certain aspects of the study of colloidal plasmas. Properties such as surface waves, boundary layers, surface tension, interactions of different colloidal media, friction, viscosity, attractive forces between neighbouring particles etc. require microgravity conditions for systematic evaluation over a large parameter region. Various micro-g environments exist: parabolic flights, sounding rockets, satellites and the space station.

Infolge einer langjährigen Zusammenarbeit mit der russischen Wissenschaft ergab sich die einzigartige Gelegenheit, weltweit das erste physikalische Experiment auf der internationalen Raumstation (ISS) durchzuführen. Die am Institut entworfene und aufgebaute Nutzlast basiert auf Komponenten, die schon zweimal im Zusammenhang mit dem deutschen Texusprogramm auf Höhenforschungsraketen (1996 und 1998) erfolgreich benutzt wurden. Mit Blick auf viele Stunden Meßzeit und der möglichen telewissenschaftlichen Verbindung auf der Raumstation wurden die Meßmöglichkeiten des Plasmakristallexperiments (PKE) stark erweitert. Die ISS Nutzlast bietet zum ersten Mal die Möglichkeit, das Edelgas in der Plasmakammer zu erneuern und die Gas-entladung in einem breiten Druckbereich zu betreiben. Nachdem sich der Arbeitsdruck in der Plasmakammer wegen Temperaturänderung, Sputterprozessen und anderen chemischen Plasmareaktionen stark ändert, wurde erstmals auch eine Druckregelung realisiert, die den Arbeitsdruck besser als 10 Ábar stabilisiert. Außerdem hat die ISS Nutzlast eine neue Optik, besserer Lichtstärke und zwei Staubdispensormechanismen mit der Möglichkeit zwei unterschiedliche Partikelgrößen ins Plasma zu injizieren oder zwei Partikelgrößen im Hinblick auf Legierungen zu mischen. Zum ersten Mal verfügt die Nutzlast auch über einen weltraumtauglichen Rechner im PC-Standard, der in Maschinensprache programmiert wurde, um ein zuverlässiges Echtzeitsystem zu haben. Außer der Organisation von Telekommando und Telemetrie erlaubt die Echtzeitsoftware eine technisch ausgeklügelte Feinregelung der experimentellen Parameter, sowie eine Auswahl vorprogrammierter Meßsequenzen, die durch den Kosmonauten/Astronauten durch Knopfdruck aktiviert werden. Die Sicherheitsbestimmungen für die Weltraumstation machten es notwendig, das ganze Experiment in einem hermetisch dichten Sicherheitsbehälter von 60 cm Durchmesser und 60 cm Höhe einzubauen.

Through a longstanding cooperation with Russian science we have the unique opportunity to conduct the first physics experiment world wide on the international space station (ISS). The payload, designed and built in the institute, is based on hardware used before in two sounding rocket campaigns, in the framework of the German Texus program in 1996 and 1998. For the ISS-mission the capabilities of the "plasma crystal experiment" (PKE) were largely enhanced in view of many hours of measurement time and possible telescience sessions. The ISS payload provides for the first time the possibility to renew the noble gas in the plasma chamber and to operate the gas discharge over a wide pressure range. As the working pressure in a plasma chamber suffers changes due to temperature, sputtering, and other chemical plasma reactions, a pressure regulator was implemented which controls the working pressure within ten microbar. Furthermore the ISS payload has a new optical system with better light collecting power, two dispenser mechanisms with the option to select two particle sizes to be injected into the plasma either singly or as a mixture. For the first time the payload includes also a space-borne PC type computer, programmed in machine language in order to have a reliable real-time system. Apart from the organisation of telecommand and telemetry, the real-time software allows a sophisticated control of the experimental parameters and the selection of pre-programmed measurement sequences to be started by the cosmonauts/astronauts by pushbutton. Due to safety restrictions on board of the space station the whole experiment was integrated into a hermetic safety container of 60 cm diameter and 60 cm height.

Zwei baugleiche Einheiten des Experiments müssen geliefert werden. Die erste, bereits im Juli 1999 fertiggestellte Einheit, muß die Qualifikationstests zur Weltraumtauglichkeit (Vibration, Dichtigkeit, Leistungsbedarf, Temperaturbereich, Feuchtigkeit, elektromagnetische Kompatibilität) durchlaufen, dient dann zum Training der Besatzung und wird schließlich im Testaufbau des Servicemoduls in Moskau für Funktionstests am Boden während und nach dem Weltraumexperiment eingebaut. Die zweite Einheit (fertiggestellt im November 1999) wird nach dem gegenwärtigen Zeitplan im April 2000 mit der Progress Rakete zur Weltraumstation transportiert werden.

Two identical units are to be delivered. The first, finished in July 1999, has to pass the space qualification tests (vibration, leak test, power consumption, temperature range, humidity, EMC). Subsequestly it is used for the crew training, and finally it will be installed into the mock-up of the service module in Moscow for operational tests during and after the space experiment. The second unit, finished in November 1999, will go on the space station using the Progress transporter in April 2000 according to the actual schedule.

Training der Kosmonauten/Astronauten Mannschaften Training of the cosmonaut/astronaut crews

Es ist vereinbart, das Plasmakristallexperiment durch die erste und dritte Mannschaft auf der ISS durchführen zu lassen. Während des Betriebs wird das Experiment im Transferknoten der Weltraumstation befestigt und in den Weltraum hinaus evakuiert. Es wird aus der 28 V Stromversorgung der Station betrieben und über ein Standard-interface mit Hilfe eines weltraumtauglichen Notebookcomputers vom Kosmonauten bedient. Die Meßdaten werden auf Videoband gespeichert und für den Fall einer Funkverbindung zum Boden durch diese in Echtzeit übertragen. Sofern ein permanenter oder zeitweise verfügbarer Fernsehkanal zur Weltraumstation rechtzeitig aufgebaut ist, wird das Plasmakristallexperiment auch vom Boden aus mittels Telescience bedient werden. Eine von unserem Industriepartner konstruierte Telescience-Einheit wird unsere Experimentnutzlast als zweite Einheit in den Weltraum begleiten.

The plasma crystal experiment is scheduled to be operated by the first and third crew of the ISS. During operation the experiment will be installed in one of the transfer-nodes of the station and evacuated into space. It will be powered by the 28 V line of the station and controlled through a standard interface by a crew member using a space-borne notebook computer. Data will be stored on video tape in the station and for the case of ground contact through a radio-link. If a permanently or temporarity available television channel connecting to the space station is built up in time, the plasma crystal experiment will be served also from the ground by telescience. A telescience unit which was designed by one of our industrial partners will accompany our experiment payload into space as a second unit.

Anfang November erhielt das Institut einen Besuch von fünf Kosmonauten/Astronauten, die in den wissenschaftlichen Hintergrund und die Bedienung des Plasmakristallexperimentes eingeführt wurden. Die Delegation wurde angeführt von William M. Shepard, dem Kommandanten der ersten ISS-Besatzung. Die russischen Kosmonauten sind Sergei K. Krikalev und Yuri P. Gidzenko (erste Besatzung) und Vladimir N. Dezhurov und Mikhail Turin (dritte Besatzung). Die Qualifikations- und Trainingseinheit des Plasmakristallexperimentes war während des ganzen Besuchs voll betriebsbereit, obwohl die Programme noch nicht in ihrer endgültigen Form vorlagen und die Betriebsanleitungen für die Bedienung im Weltraum noch erhebliche weitere Anstrengung benötigen, um den Anforderungen der bemannten Weltraumfahrt gerecht zu werden. Immerhin arbeiteten alle Besatzungsmitglieder erfolgreich mit dem Experiment (Abb. III-15) und machten wertvolle Vorschläge im Hinblick auf eine zuverlässige Durchführung des Experiments im Weltraum.

At the beginning of November a delegation of five astronauts/cosmonauts visited the institute for an introduction to the scientific purpose and the operation of the plasma crystal experiment. The delegation was headed by William M. Shepard, Commander of the first ISS-crew. The Russian crew members are Sergei K. Krikalev and Yuri P. Gidzenko (1st crew) and Vladimir N. Dezhurov and Mikhail Turin (3rd crew). The qualification and training unit of the plasma crystal experiment was fully operative throughout this visit, although the software was not yet completely finalised, and the manuals for operation in space still require considerable further attention in order to comply with the requirements of manned space flight. Nevertheless the crew members worked successfully with the experiment (Fig. III-15) and provided a number of suggestions with regard to a failsafe operation in space.

Abb. III-15: Die Kosmonauten Sergei Krikalev, William Shepherd, Yuri Gidzenko, Mihael Turin und Vladimir Dezhurov beim Training am MPE.

Fig. III-15: The cosmonauts Sergei Krikalev, William Shepherd, Yuri Gidzenko, Mihael Turin, and Vladimir Dezhurov during training at MPE.

Dieser Besuch erzeugte durch eine breite Berichterstattung in Presse, Rundfunk und verschiedenen Fernsehkanälen ein erhebliches Interesse in der Öffentlichkeit. Von der MPG wurde eine Pressekonferenz im Institut organisiert, bei der die Kosmonauten ein aktives Experiment in Gegenwart der Journalisten vorführten. This visit created a lot of attention in the public due to a wide coverage in the press, radio-broadcasting, and a number of tv-channels. A press conference was organised by the MPG in our institute, and the cosmonauts operated a live experiment in the presence of the journalists.
Parabelflüge Parabolic Flights
Neben den zwei Weltraumexperimenten, die für die ISS vorbereitet werden, wird auch die Forschung auf experimentellen Flugzeugen mit der existierenden Parabelflugnutzlast weitergeführt. Im April 1999 fanden drei Parabelflüge zum ersten Mal auf einem modifizierten Airbus A300 von Bordeaux aus statt. Im Vergleich zu früheren Kampagnen bot uns dieses Flugzeug Parabeln längerer Dauer (bis zu 25 s), besserer Qualität in Bezug auf Restbeschleunigung, mehr Platz und erheblichen Komfort im Hinblick auf Installation und Betrieb innerhalb des Flugzeugs. 31 Parabeln werden pro Mission geflogen (früher 12 bis 15), so daß von der Aprilkampagne Meßdaten von 93 Parabeln vorliegen (Abb. III-16).

Apart from the two space probes in preparation for the ISS, more research on experimental airplanes is conducted with the existing payload for parabolic flights. In April 1999 there were three parabolic flights on a modified Airbus A300, operating from the airport of Bordeaux, France. In comparison with previous campaigns this airplane provided us with parabolas of longer duration (25 s each), better quality as far as residual acceleration is concerned, much more space and considerable convenience with regard to installation and operation inside the airplane. 31 parabolas are flown per mission, such that data from 93 parabolas became available from the April campaign (Fig. III-16).

Fig. III-16: Doktoranden Dirk Goldbeck und Uwe Konopka bei der Experimentbedienung unter Schwerelosigkeit auf der Parabelflugkampagne im April 1999.

Fig. III-16: Phd-students Dirk Goldbeck und Uwe Konopka during the experiment operation under microgravity conditions on the parabola flight campaign in April 1999.

Nachdem die Beschleunigung/Schwerkraft die wichtigste Randbedingung im Zusammenhang mit der Kristallisation in komplexen Plasmen ist, verfügen wir jetzt über wichtige Daten, auch aus der hoch-g Phase und einem Zwischenbereich bei 0.4g. Damit gibt es jetzt einen Datensatz bei folgenden Beschleunigungswerten: 1.8g, 1g, 0.4g und 10-2g. Nachdem in jedem Flug, ohne Änderungen an der Nutzlast, zwei Partikelgrößen verwendet werden können, haben wir jetzt auch Meßdaten über 6 Partikelgrößen von 1 bis 15Ám Durchmesser. Three parabolas were flown on a trajectory of 0.4 rather than 0g. It was mentioned earlier in this report that acceleration/gravity is a very important constraint in the study of colloidal plasmas. The parabolic flights provided us with interesting data also in the high-g phase and in an intermediate regime of 0.4g. We have data now at the following acceleration levels: 1.8g, 1g, 0.4g and 10-2g. As two particle sizes can be injected without change of the payload we have data now also on six particle sizes ranging from 1 micrometer to 15 micrometer diameter.

Die Ergebnisse der Parabelflüge zeigen, daß eine staubfreie Zone im Zentrum der Gasentladung systematisch für drei verschiedene Edelgase (Argon, Krypton und Xenon), alle verwendeten Partikelgrößen, starke und schwache Ionisation und sämtliche verwendeten Druckstufen existiert. Bei gleichzeitiger Verwendung von zwei Partikelgrößen beobachtet man eine Sedimentierung nicht nur aufgrund von Beschleunigung/ Schwerkraft, sondern auch infolge der Kraft, die die zentrale staubfreie Zone verursacht. Die Natur dieser Kraft ist quantitativ noch nicht verstanden.

One interesting result of the parabolic flight tests is, that the central cavity, a particle free zone in the centre of the gas discharge, is persistent for three different noble gases (Argon, Krypton and Xenon), all particle sizes, strong and weak gas ionisation and all pressure levels tested so far. If two particle sizes are injected at the same time, a segregation takes place not only by acceleration/gravity but also by the force responsible for the central cavity. The nature of this force is not yet understood quantitatively.

Zentrum für interdisziplinäre Plasmaphysik Centre for Interdisciplinary Plasma Science
Durch die Gründung eines gemeinsam betriebenen ''Centre for Interdisciplinary Plasma Science, (CIPS)'' möchten das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) und das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) ihre diesbezüglichen Aktivitäten bündeln, neue Forschungsvorhaben aufgreifen und Synergieeffekte durch den Austausch von Erfahrung und durch gegenseitige Abstimmung in komplementären Forschungsgebieten erzeugen. Dadurch soll ein wissenschaftlicher ''Mehrwert'' geschaffen werden, der in beiden Instituten separat nicht erzielt werden kann. Der direkte Anstoß für diese Entscheidung einer koordinierten Vorgehensweise kam durch neue Entwicklungen in den beiden Instituten aus den letzten Jahren und beruht z.T. auf Empfehlungen des Sonder-Fachbeirats des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (Kolloidale Plasmen). Die neuen Entwicklungen sind:

  • der Aufbau einer Forschungsrichtung ''komplexe (kolloidale) Plasmen'' am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik ausgehend von der Entdeckung neuer Plasmazustände - ''flüssige Plasmen'' und ''Plasmakristalle'',
  • die großen Fortschritte in der ''numerischen Plasmaphysik'' am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik and am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, ermöglicht durch die Verfügbarkeit des T3E Großrechners,
  • die Entwicklung neuer (nichtlinearer) informationsdynamischer Analyseverfahren zur quantitativen Charakterisierung komplexer Systeme (inklusive Dynamik) am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik ,
  • die großen Fortschritte in den Bereichen ''neuronale Netze'' und ''Bayesische Analyseverfahren'' am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik,
  • die Erkenntnisgewinne am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik über die wachsende Bedeutung der Plasma-Wand Wechselwirkung in Fusionsreaktoren.

Die geplanten Forschungsrichtungen des CIPS sind:

  • Komplexe (kolloidale) Plasmen
  • Theoretische Plasmaphysik
  • Charakterisierung komplexer Systeme

Through the establishment of a jointly operated ''Centre for Interdisciplinary Plasma Science, (CIPS)'' the Max-Planck-Institute for Plasma Physics (IPP) and the Max-Planck-Institute for extraterrestrial Physics (MPE) plan to combine special activities, to take up new research projects, and to generate synergies by exchange of experience and by mutual coordination in complementary research fields. Thus a scientific ''added value'' is to be created, which could not be obtained separately. This decision by the institutes is a consequence of a number of developments in the last years and is based partly on recommendations of the special Fachbeirat of the Max-Planck-Institute for extraterrestrial Physics (colloidal plasmas). The new developments are:

  • the development of a new research direction ''complex (colloidal) plasmas'' at the Max-Planck-Institute for extraterrestrial Physics, based on the discovery of new plasma states - ''liquid plasmas'' and ''plasma crystals'',
  • the enormous progress in ''numerical plasma physics'' at the Max-Planck-Institute for Plasma Physics and at the Max-Planck-Institute for extraterrestrial Physics, made possible by the availability of the T3E mainframe computer,
  • the development of new (nonlinear) information-dynamical analysis methods for the quantitative characterisation of complex systems (including their dynamics) at the Max-Planck-Institute for extraterrestrial Physics,
  • the large progress within the areas ''neural networks'' and ''Bayesian methods of analysis'' at the Max-Planck-Institute for Plasma Physics,
  • the improved understanding at the Max-Planck-Institute for Plasma Physics concerning the importance of the plasma-wall interactions in fusion reactors.

The planned research directions of the CIPS are:

  • complexes (colloidal) plasmas
  • theoretical plasma physics
  • characterisation of complex systems
Die Weltraumprojekte wurden vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) unter dem Kennzeichen 50WM9445 gefördert. The space projects were supported by the DLR under the number 50WM9445.

MPE Jahresbericht 1999 / MPE Annual Report 1999


HTML version: 2000-03-13; Helmut Steinle