Was treibt die Wissenschaft ins All?

Ob Seifenblasen, Papierflieger oder Bonbons in einer Plastikkugel – der deutsche Astronaut Alexander Gerst hat schon mit vielen Dingen Experimente auf der Raumstation ISS durchgeführt, die er für alle auf der Erde verbliebenen auf Video aufzeichnete. Oft nutzte er diese Gelegenheit, um insbesondere jungen Menschen Phänomene in der Schwerelosigkeit zu erklären. In seinem Alltag auf der ISS war er jedoch auch täglich mit einer Vielzahl an komplexen Aufgaben für die Wissenschaft betraut. Im Auftrag der European Space Agency (ESA), führte er Experimente im von der ESA eigens geplanten und gebauten Forschungsmodul „Columbus“  durch, das 2008 an die ISS angedockt wurde. 

Bei jeder ISS-Mission werden somit nicht nur Astronaut*innen ins All entsandt, sondern mit ihnen auch zahlreiche wissenschaftliche Experimente. Bei der Mission Horizons im Jahr 2018 waren es allein 41 verschiedene Experimente aus Deutschland. Involviert waren darunter unterschiedlichste Disziplinen wie Medizin, Biologie, Astronomie oder Materialwissenschaften. Sie adressierten wissenschaftliche Fragestellungen, wie das Wachstum von Pflanzen im All, die Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf den menschlichen Körper oder wie sich Granulate in Bewegung verhalten.

Prof. Dr. Andreas Meyer, Institutsdirektor des Instituts für Materialphysik im Weltraum am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln realisiert mit seinem Team regelmäßig Experimente auf der ISS. Er ist begeistert von den Möglichkeiten, die die Weltraumforschung für seine Fragestellungen bietet. Insbesondere hebt er die die Möglichkeit hervor, Schwerkraft-getriebene Phänomene wie beispielsweise Auftrieb weitestgehend ausschalten zu können. „Diese Versuchsbedingungen erlauben die richtige und genaue Messung physikalischer Größen – eine Voraussetzung zum Beispiel für die Entwicklung physikalischer Modelle zur Beschreibung der Dynamik in Flüssigkeiten. Auch Modelle, die die Erstarrung von Metallen beschreiben, können wir so erstellen“, sagt Meyer. Experimente anderer Disziplinen untersuchten dagegen gezielt den Einfluss der Schwerelosigkeit. Im medizinischen Bereich erhofft man sich unter anderem Erkenntnisse, um den menschlichen Körper besser zu verstehen oder um Therapiemaßnahmen gegen Krankheiten entwickeln zu können.

Was eine Vielzahl der Experimente der unterschiedlichen Disziplinen eint, ist die Tatsache, dass sie  der Grundlagenforschung zuzuordnen sind. Denn längst nicht immer resultiert aus einem Experiment ein vorhersehbarer, direkter praktischer Nutzen. Gleichsam bietet die Grundlagenforschung den Kern von grundlegenden wissenschaftlichen Erkenntnissen und ermöglicht dadurch immer erst den Beginn weitergehender und angewandter Forschung. Das gleiche gilt auch für die Forschung, die abseits der ISS im Weltraum stattfindet – zum Beispiel über Satelliten oder Raumsonden. Die Durchführung von Experimenten begünstigt wiederum die genauere Erforschung des Weltraums und befördert weitere Entwicklungen in der Raumfahrttechnik.

Für Dr. Klaus Jäger, Wissenschaftlicher Referent der Geschäftsleitung am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, ist es daher keine Frage, ob sich all der Aufwand lohnt. „Zum einen hat die Erforschung des Weltraums eine kulturelle Dimension und eine lange Geschichte, die immer unsere Weltbild geprägt hat. Das darf man nicht unterschätzen“, so Jäger. Andererseits betont Jäger, dass stets viele grundsätzliche Erkenntnisse der Wissenschaft durch die Astronomie entdeckt wurden: „So fand man beispielsweise die Gesetze der Mechanik mit Hilfe von Planetenbeobachtungen. Und heute leben wir geradezu in einem goldenen Zeitalter der Astrophysik mit vielen grundlegenden Entdeckungen, was auch die vielen Nobelpreise der letzten Jahre für das Fach zeigen, wie der an Reinhard Genzel für den Nachweis der Existenz eines Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße.“

Doch es lassen sich auch viele alltägliche Anwendungen auf der Erde nennen, deren Entwicklung durch die Weltraumforschung und Raumfahrt vorangetrieben wurde. Klaus Jäger hat einige davon in einem Vortrag aufgelistet: GPS, Telekommunikation, Wetterdaten und Daten über den Klimawandel. „Selbst das Cerankochfeld beruht auf einem Material, das ursprünglich für große Teleskope entwickelt wurde. Auch der Laser wurde für die Grundlagenforschung entwickelt. Heute nutzen wir ihn in fast allen Lebenslagen. Die Forschung geht bei der Suche nach der besten Technik für ihre Experimente immer in Extreme und kann dadurch innovativ für ganz andere Bereiche sein, die später im Alltag nützlich sind.“, sagt Jäger.

„Den praktischen Nutzen von Satelliten haben die Leute mittlerweile verstanden. Warum es aber Menschen im All braucht, werden wir immer wieder mal gefragt“, sagt Berti Meisinger, die als Mission Director für die ESA ISS-Missionen koordiniert. „Ich denke, dass die Grundlagenforschung auf der ISS sehr wichtig ist, um Dinge zu verstehen und um dazuzulernen für die Zukunft. Auch bei den ersten Satelliten konnte man nicht abschätzen, wozu sie in der Zukunft benutzt werden. Hätte man deswegen die Forschung nicht gemacht, hätten wir heute all diese Technik nicht. Genauso sehe ich viele Chancen in den Experimenten, für die es eben die ausgebildeten Astronaut*innen auf der ISS braucht.“

Andreas Meyer ist sich des Privilegs seines Instituts bewusst, Grundlagenforschung im Weltall betreiben zu dürfen. Diese gibt aber auch Rückschlüsse für weitere auf der Erde durchgeführte Untersuchungen. „Experimente in der Schwerelosigkeit sind wichtig für uns, um Experimente am Boden zu eichen oder um zu zeigen, dass man sie eben auch am Boden machen kann, weil der Einfluss der Schwerkraft nicht stört. Die Grundlagenforschung hilft uns immer, Daten zu erzeugen und Annahmen zu belegen oder auch zu widerlegen“, sagt Meyer. „Spannend an der Grundlagenforschung ist auch, dass man unter Umständen etwas vollkommen Unerwartetes misst und dadurch wieder neue Fragestellungen aufgeworfen werden“, sagt Jäger.

Auf der ISS und im Weltraum allgemein wird letztendlich auch nur ein kleiner Teil der Weltraumforschung durchgeführt. Meyer und seine Kolleg*innen beispielsweise bereiten die Experimente für die ISS erst einmal jahrelang am Boden vor oder nutzen andere technische Hilfsmittel zur Simulation von Schwerelosigkeit. „In Bremen gibt es einen großen Fallturm und wir haben auch die Möglichkeit, Parabelflüge zu nutzen – beides kann Schwerelosigkeit von mehreren Sekunden erzeugen. Wenn wir eine Höhenforschungsrakete nutzen, haben wir bis zu sechs Minuten Zeit. Für manche Experimente braucht man aber einfach sehr viel Statistik und muss sie hunderte Male wiederholen, bis man weiß, was die Signifikanz des Ergebnisses ist. Oder die Messung dauert mal mehrerer Stunden. Dafür ist die ISS dann doch sehr wichtig“, so Meyer.

Klaus Jäger sieht durch die Forschung im Weltraum ebenfalls noch unendliche Möglichkeiten: „Das Weltall ist das beste Labor, das wir haben. Und ich glaube auch, dass wir die größte Entdeckung, die die Menschheit vielleicht je machen wird, dort haben werden: Die Entdeckung von außerirdischem Leben. Natürlich aber wohl nicht in Form von kleinen grünen Männchen.“