Völlig losgelöst forschen
Ein Experiment von der Erde auf die Internationale Raumstation ISS zu bringen, ist teuer. Deshalb werden viele Experimente auf der Erde getestet – oder besser: in der Luft, bei Parabelflügen in umgebauten Verkehrsflugzeugen. Forschende von THM und JLU haben eine solche Flugkampagne mit variabler Schwerkraft absolviert; sie waren selbst mit an Bord.
Eine Kampagne besteht normalerweise aus drei bis vier Flugtagen. An jedem Flugtag werden 31 Parabeln mit jeweils rund 22 Sekunden reduzierter Schwerkraft durchgeführt. Dies gibt den Wissenschaftlern die Möglichkeit, Proben zu wechseln, Experimentkonfigurationen zu ändern und direkt auf das Verhalten des Experiments auf die Mikrogravitation zu reagieren. Das macht die Parabelflüge zu einer idealen Testumgebung. Durch Modifizierung des Flugmanövers können verschiedene Bedingungen mit reduzierter Schwerkraft hergestellt werden, um Schwerelosigkeit oder mond- oder marsähnliche Schwerkraftbedingungen zu schaffen.
Im Rahmen ihrer Arbeit haben Prof. Markus Thoma (Justus-Liebig-Universität Gießen) und Prof. Mike Schwarz (Technische Hochschule Mittelhessen), die Doktoranden Niklas Dormagen, Max Klein, Lukas Wimmer sowie der wissenschaftliche Mitarbeiter Dr. Michael Kretschmer und Werkstattleiter Thomas Nimmerfroh im Juni an einer Parabelflug-Kampagne teilgenommen, die von der Firma Novespace in Bordeaux angeboten wird. Die Kampagnen werden von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR oder von der ESA organisiert.
Die Arbeitsgruppe bearbeitet das Teilprojekt AIPEX (Artificial Intelligence for Plasmaexperiments) im Programm AIMS (Artificial Intelligence Meets Space) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Herzstück der Forschung ist das „Plasmakristallexperiment 4 (PK-4)“. PK-4 ist seit 2014 ein Aufbau auf der Internationalen Raumstation (ISS), der im Orbit um die Erde betrieben wird, während ein Referenzmodell an der JLU zur Experimentplanung dient. Ziel ist in erster Linie die Lokalisierung von Partikeln in komplexen staubigen Plasmen. Die erwarteten Resultate sind für deren detailliertes Verständnis bedeutsam. Für die Physik kondensierter Materie und die Fluidphysik dienen komplexe Plasmen als Modellsysteme. Auch für die Industrie ist die Forschung mit PK-4 interessant. So könnten die Ergebnisse die Chipherstellung oder die Technik in Fusionsreaktoren verbessern. Darüber hinaus sind wertvolle Erkenntnisse für astrophysikalische Fragestellungen zu erwarten – wie etwa zur Staubagglomeration im Zuge der Planetenentstehung.
Die Forschenden aus Mittelhessen stellen für ihren Beitrag drei Hauptziele in den Fokus, die unter Einsatz Künstlicher Intelligenz (KI) verfolgt werden: Die Automatisierung des PK-4-Experiments, die Datenkompression der aufgenommenen Partikelaufnahmen und die Anwendung verschiedener KI-Methoden zur Detektion von Partikelpositionen und -strukturen. Während der Parabelflüge haben die Doktoranden Niklas Dormagen und Max Klein vorab ausgearbeitete Experimente vorgenommen und die KI-Methoden der Automatisierung und Bilderkennung unter Schwerelosigkeitsbedingungen erfolgreich getestet.
Die Ergebnisse sind über den Nutzen für das PK-4-Experiment auch wertvoll für dessen geplanten Nachfolger COMPACT. Dieses Experiment wird zurzeit in Zusammenarbeit mit den Universitäten Greifswald, Auburn (Alabama, USA), der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, der NASA und der Firma OHB vorbereitet.