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29.06.2015

Automatisierte Ionenanalytik im Weltraumeinsatz


Anfang 2017 startet der Forschungssatellit Eu:CROPIS des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in den Orbit. Er soll ein biologisches Lebenserhaltungssystem für den Menschen testen, das aus biologischen Abfallprodukten Sauerstoff und Nahrungsmittel produziert. Mit an Bord ist ein Ionenanalysegerät von Fraunhofer. Es überwacht automatisiert auf engstem Raum alle Vorgänge innerhalb des Systems.

Menschen in Raumschiffen brauchen zum Überleben genau wie auf der Erde regelmäßige und frische Nahrung. Für kurze Weltraumtrips nehmen die Astronauten einfach Proviant mit. Schwieriger wird es aber, wenn die Besatzungen monate- oder jahrelang im All unterwegs sind. Gefragt sind technische Lösungen, die lebenswichtige Ressourcen möglichst lange am Leben halten. Im Projekt Eu:CROPIS entwickeln drei Partner unter der Führung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ein Lebenserhaltungssystem, das aus biologischen Abfallprodukten Sauerstoff und Nahrungsmittel produziert. Es soll 2017 während einer einjährigen Weltraummission getestet werden. Beteiligt sind neben dem DLR die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, Institutsteil IMM, in Mainz.

Mit Urin Tomaten düngen

In einem automatisierten Kreislaufsystem zersetzen Bakterien und Algen ein Gemisch aus künstlichem Urin und Wasser zu Dünger für Tomatenpflanzen. Dabei wird der vom DLR entwickelte, gebaute und betriebene Satellit in unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotieren, um so die Schwerkraft von Mond und Mars zu simulieren. Damit die Tomatenpflanzen während der Weltraummission genau die richtige Nährstoffmenge zum optimalen Gedeihen erhalten, muss das Kreislaufsystem kontinuierlich überwacht werden. Dafür sind die Wissenschaftler am ICT-IMM zuständig. Sie nutzen die Kapillarelektrophorese um zu überprüfen, wie hoch die Konzentrationen der im Düngemittel enthaltenden Stoffe sind. Das Verfahren funktioniert über charakteristische Bewegungsmuster, die Ionen unterschiedlicher Art und Größe zeigen, wenn sie über ein elektrisches Feld bewegt werden. So ist es beispielsweise entscheidend, dass die Düngemittelzufuhr an die einzelnen Wachstumsphasen der Tomatenpflanze angepasst ist. "Die Realisierung dieses autonomen Kreislaufs, der das Überleben der Tomaten sicherstellt, ist Dreh- und Angelpunkt dieses Unterfangens", betont Dr. Potje-Kamloth, die das Projekt am ICT-IMM betreut.

Die Kapillarelektrophorese gehört auf der Erde zur Standardmethodik chemischer Analysen. Für den Einsatz in unbemannten Weltraummissionen gelten jedoch zusätzliche Anforderungen: Vorgänge müssen automatisiert ablaufen und Geräte dürfen kaum Platz benötigen. "Zur ACHEMA 2015 stellen wir den Prototyp eines Ionenanalysegeräts vor, der auf 20x20x1 Zentimetern Platz findet, nur 2,4 Kilogramm wiegen darf und über eine vollautomatisierte Probenentnahme sowie Kapillarelektrophorese verfügt", so Potje-Kamloth. Der besondere Clou dabei: Der scheckkartengroße Chip, auf dem die gesamte Analyse abläuft, wird regelmäßig gespült und kann so während der gesamten Weltraummission eingesetzt werden. Auf der Erde werden diese Chips üblicherweise nach jeder Probenentnahme und Analyse verworfen.

Die Technologie kann auch unabhängig vom Experiment im All nutzbringend eingesetzt werden. "Mit einem kompakten Ionenanalysegerät mit automatisierter Probennahme kann man zum Beispiel auch die Qualität von Trinkwasser überwachen oder Prozesse steuern", so Potje-Kamloth.

Anfang 2017 wollen die Partner den Satelliten in 600 Kilometer Höhe ins All schießen. Die Forscher haben ihr System zweifach gebaut, um auch auf der Erde alle Schritte nachvollziehen zu können. Alle Vorgänge an Bord des Satelliten können von der Erde aus gesteuert werden. Nach einem Jahr soll er dann kontrolliert in der Erdatmosphäre verglühen. "Mit Eu:CROPIS werden wir viele Erkenntnisse und Hinweise erlangen, wie ein biologisches Lebenserhaltungssystem unter den Schwerkraftbedingungen von Mond und Mars zu betreiben ist, um so zukünftige Explorationsmissionen zu unterstützen und bioregenerative Systeme auf der Erde zu etablieren", sagt DLR-Wissenschaftler Dr. Jens Hauslage, wissenschaftlicher Leiter der Mission.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT)




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