Radfahren in der Schwerelosigkeit

Von Julius Brockmann

Einmal schwerelos sein. Sein eigenes Gewicht nicht mehr spüren, und die Dinge ganz leicht nehmen. Nicht nur Astronauten wird das ganz besondere Erlebnis zuteil. Mit Parabelflügen imitieren Piloten die Schwerelosigkeit im All. Wissenschaftler führen Experimente über den Wolken durch, die auf der Erde, aufgrund der Schwerkraft, nicht möglich sind.

Unlängst waren auch zwei Teams aus Erlangen an Bord einer Maschine des Typs A300, die vom französischen Bordeaux aus startete und an vier Tagen die so genannte Mikrogravitation, den Zustand des freien Falls und der Schwerelosigkeit, für je 22 Sekunden pro Parabel aufrecht erhielt. Mit der eingangs beschriebenen romantischen Vorstellung des Schwebens hat ein Parabelflug dagegen wenig gemein. Zunächst fliegt der Airbus mit Höchstgeschwindigkeit, bevor er zu einem Steigflug im Winkel von 47 Grad ansetzt. Die Triebwerke werden gedrosselt, die Maschine steigt kurze Zeit weiter und erreicht den höchsten Punkt, bevor sie in etwa gleichem Winkel zurück Richtung Erde fällt: Eine enorme Belastung für Mensch und Maschine. Zwischenzeitlich wirken Kräfte von doppelter Erdbeschleunigung auf die Insassen.

Neue Stoßdämpfer für Satelliten und Antennen erforscht

Prof. Thorsten Pöschel vom Lehrstuhl für Multiscale Simulation of Particulate Systems der Universität Erlangen-Nürnberg und sein Team waren mit dabei, als vor wenigen Wochen die 13. Parabelflugkampagne des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Frankreich startete. Sie hatten das Ziel, mithilfe von Versuchen neue Stoßdämpfer für Satelliten, Flugzeugturbinen oder Antennen zu entwickeln. Pöschel und sein Team untersuchten wie man Schwingungen mildern kann.

Auch der Erlanger Sportwissenschaftler Prof. Matthias Lochmann war an Bord der Maschine. Er setzte bei seinem Experiment einen medizinischen Schwerpunkt. So ging er der Fragestellung nach, wie sich der menschliche Körper in der Schwerelosigkeit verhält. Mit den Ergebnissen sollen vor allem Astronauten trainiert werden. Die Motorik sei dabei anders als auf der Erde, so Lochmann.

Bei den aktuellen Flügen wurde parallel getestet, ob auch im neuronalen Bereich Veränderungen stattfinden. Aus diesem Grund zeichnete ein Elektroenzephalogramm die Gehirnströme des Probanden auf. Der Untersuchungs-Teilnehmer hatte dabei 64 Elektroden auf der Kopfhaut und zehn an den Beinen. Ein Fahrrad wurde in ein Ergometer gespannt. Das Besondere der Apparatur war, dass die Pedalen nicht in einer 180 Grad-Stellung zueinander angebracht waren, sondern die Winkel freigegeben waren. „Die Erfordernisse an die Koordination sind dadurch sehr hoch“, erklärt Lochmann. Er war bereits 2003 und 2004 an Bord einer Parabelflugmission.

In diesem Jahr war die Fragestellung ein wenig anders. Zudem wurde die Versuchsanordnung verbessert. „Wir hatten das Problem, dass die Probanden auf dem Fahrrad mit der Hüfte etwas weggedriftet sind“, sagt Lochmann. Aus diesem Grund habe man dieses Mal die Versuchsteilnehmer fixiert. Lochmann hatte die komplette Verantwortung für das Gelingen der Mission und war auch für die Planung und Durchführung zuständig.

Die Auflagen bei solchen Flügen seien extrem hoch. So gebe es unter anderem einen 90-seitigen Katalog der Novespace zu beachten, um die Sicherheit der sich an Bord befindenden Menschen zu gewährleisten. „Wir sind nun aber mehr als zufrieden mit der Durchführung“, bemerkt Lochmann. Viele der Teilnehmer seien regelrecht begeistert von der Mission. Beim nächsten Mal hofft der Sportwissenschaftler, noch mehr Studenten mit in das Projekt einbinden zu können. Denn neben den wissenschaftlichen Mitarbeitern des Instituts für Sportwissenschaft und des Lehrstuhls für Mustererkennung war auch ein Student an Bord der Maschine.

Zunächst sei es ein „ganz normaler Flug gewesen“, erinnert sich Robert Christian Klam, der in Gießen Medizintechnik studiert. „Man fühlt sich ganz schön hilflos“, fast er seine Eindrücke zusammen. Das Flugzeug war so präpariert, das die Insassen nicht nach außen blicken konnten. Der freie Fall führte bei Klam dazu, dass er nicht mehr wusste, wo oben und unten war. An Bord der Maschine war Klam sowohl Proband als auch Assistent, denn er betreute die Messdurchführung. Zwei Kameras waren dabei an der Messanordnung befestigt.

Auf einem Fahrrad trat Klam in die Pedale, die Kameras zeichneten die Kurbelbewegung auf. Die Auswertung der Daten erfolgt nun in den kommenden Wochen. So wird zum Beispiel ermittelt, welche Gehirnareale zu welcher Zeit aktiv waren. „Die Parallelmessung ist dabei besonders wichtig“, sagt Klam. Das heißt alle Messungen fanden gleichzeitig statt.

Für den studierten Sportwissenschaftler und angehenden Medizinstudent Klam war es der erste Parabelflug. Auf die außergewöhnlichen Erfahrungen möchte er künftig nicht verzichten. „Es besteht die Möglichkeit, auch in Deutschland vom Köln/Bonner Flughafen aus Parabelflüge zu machen“, sagt er. Diese finden dann über der Nordsee statt.

Die Teilnehmer des Experiments berichten in Missionstagebüchern, wie sie die Tage in Frankreich erlebten. Im Internet nachzulesen unter: www.pfm.sport.uni-erlangen.de

Aus Dosen werden Windräder

Von Christiane Fritz

Der Laser lasert nicht. Der gelbe VW-Spielzeug-Käfer fährt zu schnell, und in einem der Experimentierräume geht etwas in die Brüche. „Kaputt geht ab und zu was. Auch das gehört zur Arbeit eines Forschers“, winkt Gisela Anton, Professorin am Lehrstuhl für Experimentalphysik, ab.
Die 53-Jährige leitet das Ferienforschungscamp für junge Tüftler. Es ist das erste Projekt des Schüler-Forschungs-Zentrums, das im Dezember vergangenen Jahres an der Universität Erlangen-Nürnberg gegründet wurde. Ziel des Forschungscamps ist es, früh das Interesse junger Menschen an Physik, Mathematik und Technik zu wecken und zu fördern.

Prof. Gisela Anton sieht das Forschungscamp als Ergänzung zum naturwissenschaftlichen Unterricht in der Schule. Denn im Camp, das in Deutschland einmalig ist, bestimmen die Schüler nicht nur, was sie erforschen wollen, sondern sie führen die Experimente auch selbst durch. In einem Physikunterricht mit 30 Schülern und einem Lehrer sei dies nicht möglich, so die Dozentin. „Die Schüler experimentieren. Wir stellen eine Umgebung und Gerätschaften zur Verfügung.“ In sieben Experimentierräumen gehen die sechs Mädchen und 22 Jungen in Gruppen unterschiedlichen Phänomenen nach – hauptsächlich physikalischen.

Das Forschungsprojekt von Ramona Bachus, Verena Gempper, Johannes Dippert und Martin Hillebrand nimmt den gesamten Raum ein. Die Schüler im Alter von 16 bis 18 Jahren erforschen, welche geometrische Form ein Windrad benötigt, damit es der Luftströmung den größten Widerstand bietet und damit den meisten Strom erzeugt. Für die Flügel haben die Vier Blechdosen von Energy-Drinks halbiert. „Die mussten wir erst noch leeren“, grinst der 18-jährige Dippert. In unterschiedlichen Abständen sind jeweils zwei Hälften an einem Stab befestigt, der in einem Dynamo endet. Den Wind simulieren die Gymnasiasten mit einem Ventilator, der sich vor einem zwei Meter langen Windkanal aufbäumt. Der Dynamo ist mit einem Computer verbunden, welcher die entstandene Spannung misst und grafisch darstellt. „Einen Windkanal hat man nicht an der Schule. Das wollten wir ausnutzen“, begründet Ramona Bachus die Wahl des Experiments. „In der Schule werden die Dinge nur vorgeführt. Hier kann man alles, was man will, ausprobieren“, schwärmt Dippert. Für Teamkollegin Verena Gempper hat das Ferienforschungscamp geholfen, eine wichtige Entscheidung zu fällen. Die 18-Jährige, die vom Physiker Carl Friedrich Gauß fasziniert ist und im nächsten Jahr ihr Abitur ablegt, wurde in der Wahl ihres Studienfachs bestärkt. „Ich habe gemerkt, dass die spätere Richtung schon passt“, stellt sie fest.

Die gesamte Ausstattung steht zur Verfügung

Für Bau und Durchführung ihrer Experimente steht den jungen Forschern die gesamte Ausstattung der Universität zur Verfügung. Allein die Gerätschaften in den Experimentierräumen kosten 200 000 Euro. In den mechanischen Werkstätten der Uni können sich die Schüler Geräte anfertigen lassen oder selbst zu Säge und Nägeln greifen. Elektronische Schaltungen können sie in der Werkstatt der Elektroniker bauen. Betreut werden die Schüler von vier Wissenschaftlern und acht Studenten. „Wir beantworten Fragen zu den Geräten“, erklärt Mathematik-Studentin Lena Heckel, die gerade eine andere Forscher-Gruppe beaufsichtigt. „Wir passen auf, dass sie sich nicht verletzen.“ Ihre vier Schützlinge erforschen, wie das Rauschen, das bei der Verstärkung der Töne einer E-Gitarre entsteht, verringert werden kann. Die Gymnasiasten beratschlagen gerade über das weitere Vorgehen, denn die nachgebaute E-Gitarre brummt nicht wie sie soll. Das angeschlossenes Oszilloskop, ein Messgerät, das Spannungen grafisch darstellt, zeigt nicht das gewünschte Ergebnis. „Und wir geben Tipps für die Experimente“, fügt Heckel hinzu. „Die Studenten sind weiter in ihrer Vorbildung. Aber diese Schüler sind phantastisch motiviert. Das macht richtig Spaß“, erzählt Anton begeistert.

Aus einem Nachbarraum sind wiederholt Töne in schmerzhafter Höhe zu hören. Fabian Rüffler, Katja Gößmann, Benjamin Geißler und Benedikt Hutzler untersuchen das akustische Phänomen namens Doppler-Effekt. Dieses tritt auf, wenn sich ein Auto mit eingeschalteten Sirenen bewegt. Je weiter die Sirene vom Hörenden entfernt ist, desto höher ist der Ton. Für das Experiment hat die Gruppe einem gelben Spielzeug-VW ein Mikrofon auf das Dach geklebt und vor einem Lautsprecher positioniert. Ein Motor entfernt den Wagen langsam vom Mikrofon. 38 Bewerbungen aus ganz Bayern sind für das Ferienforschungscamp eingegangen. Aufgrund der Kapazität konnten nur 28 Schüler berücksichtigt werden. „Sie sollten schriftlich argumentieren, warum sie sich für das Ferienforschungscamp bewerben“, erläutert Anton die Voraussetzungen für die Teilnahme.

Für eine Wiederholung des Ferienforschungscamps sind Sponsoren-Gelder nötig. Für das erste Forschungscamp mussten 7500 Euro aufgebracht werden. Wenn genügend Spenden eingehen, findet das Projekt in der Woche nach Ostern erneut statt.

Weitere Informationen im Internet: www.esfz.physik.uni-erlangen.de