Experimentalphysik: Dem Weltall ein Stückchen näher

„Als Kind wollte ich Astronaut werden. Natürlich“, denkt Peter Pichler neben seiner Ohm´schen Pulsheizung stehend schmunzelnd an Früher zurück. „Dem bin ich jetzt ein ganzes Stück nähergekommen.“

Von Graz aus auf die ISS

Von Graz aus in den Weltraum – das ist eine durchaus lange Reise. Peter Pichler, Dissertant am Institut für Experimentalphysik, selbst hat sie (bisher) nicht angetreten. Wohl aber mehrere Stahl-Kügelchen, die er vor einigen Monaten aus einem kurzen Stahl-Stab geschnitten hat. Die überflüssigen Stäbe liegen im Labor verstreut. Die Kügelchen befinden sich bereits auf der Internationalen Raumstation gut 400 Kilometer über Graz – wenn es ihre aktuelle Umlaufbahn zulässt, dann saust sie 16 Mal pro Tag über die unseren Heimatplaneten und damit auch über die Steiermark hinweg.

Im japanischen Modul Kibō der Raumstation betreibt die Weltraumagentur JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) die Forschungsanlage JAXA ELF, mit der mittels elektrostatischer Levitation unter anderem Stahlproben untersucht werden. Dabei werden sie durch ein elektrisches Feld zum Schweben gebracht und verflüssigt. Das Schweben lassen der Probe  ist notwendig, weil flüssiges Metall  unter sehr hohen Temperaturen extrem reaktionsfreudig ist: In diesem Zustand würde es mit jedem Probenbehälter reagieren; die gewonnenen Daten dadurch verfälscht. „Es gibt mehrere Methoden, Proben kontaktlos zu untersuchen“, erklärt Pichler. „An der TU Graz nutzen wir für kontaktlose Untersuchungen die elektromagnetische Levitation sowie die Ohm´sche Pulsheizung, die die Proben allerdings nicht schweben lässt.“

Als Kind wollte ich Astronaut werden. Natürlich. Dem bin ich jetzt ein ganzes Stück nähergekommen.

Die Versuchsanordnung, wie sie auf der ISS aufgebaut ist, könnte so auch auf der Erde genutzt werden. Trotzdem gibt es einen triftigen Grund, den langen Weg ins All zu beschreiten: Die Schwerkraft. „Ich untersuche die Oberflächenspannung und die Viskosität der flüssigen Metallprobe. Um Daten zu ihrer Zähigkeit – oder Viskosität – zu bekommen, muss die Probe zum Schwingen gebracht und das Abklingverhalten beobachtet werden. Damit das funktioniert müsste das elektrische Feld kurz abgeschaltet werden. Auf der Erde würde die Probe dann einfach zu Boden fallen – im Weltall schwebt sie weiter. Außerdem soll die Versuchsanordnung dafür sorgen, dass die flüssige Probe eine möglichst perfekte Kugel bildet – auf der Erde verzerrt die Schwerkraft sie aber tropfenförmig.“

Eine Probe auf die ISS zu schicken ist kosten- und zeitintensiv. Alternativ dazu testen Forschende ihre Materialien in Parabelflügen: Das sind Flüge, bei denen Flugzeuge in schnellen Steig- und Sinkmanövern für wenige Sekunden die Schwerelosigkeit simulieren. Auch Pichler wollte im Frühjahr seine Stähle so testen – coronabedingt musste der Termin aber in den Herbst verschoben werden.

Umfassende Dissertation zu flüssigem Stahl

Die Daten von den Versuchen auf der ISS und den anderen Versuchen veröffentlicht Pichler in seiner Dissertation, in der er thermophysikalische Eigenschaften zweier häufig eingesetzter Stähle untersucht. Relevant sind diese Daten für die Forschung und vor allem die Industrie, wie Pichler erklärt: „Metall-Bauteile werden aus flüssigem Metall hergestellt – zum Beispiel gegossen oder 3D-gedruckt. Es ist essentiell zu wissen, wie sich das Material in der flüssigen Phase und beim Abkühlen verhält.“

Auf der ISS untersucht Pichler einen Stahl der obersteirischen Firma voestalpine BÖHLER Edelstahl, der besonders korrosionsbeständig ist und deshalb gerne im maritimen Bereich eingesetzt wird. Der zweite Stahl ist ein Standardreferenzmaterial des US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST). Das heißt, die Zusammensetzung dieses Stahl-Typs ist exakt vermessen und Pichlers Daten dienen als Basis für weiterführende Forschungsarbeiten. Erst kürzlich ist eine gemeinsame Publikation des NIST und der TU Graz publiziert worden.

Die Versuche auf der ISS verfolgt Pichler live auf seinem Laptop – in einer Videokonferenz mit Forschenden in den USA und dem Team, das den Versuch von Japan aus steuert.  So abenteuerlich ist sein Forschungsalltag selten. „Meine Versuche mit der Ohm´schen Pulsheizung dauern zum Beispiel nur 30 Mikrosekunden“, erzählt er. „Und dann brauche ich mehrere Wochen für die Auswertung der Daten, die Visualisierung und Unsicherheitsanalyse.“

Langer Weg in die Experimentalphysik

Klar vorgezeichnet war Peter Pichlers Weg in die Experimentalphysik ganz und gar nicht. „Wenige Monate vor Studienbeginn wusste ich noch nicht, ob ich Physik, Mathematik oder Biologie studieren wollte.“ Für die Physik konnte er sich aber schon zu Schulzeiten ganz besonders begeistern. „Ich hatte eine wirklich tolle Physiklehrerin, die uns sehr viel moderne Physik beigebracht hat – Relativitätstheorie und Quantenmechanik. Das war so völlig anders, als ich die Welt bis dahin wahrgenommen habe.“ Schlussendlich war es aber ein Schulfreund aus Volksschultagen, der ausschlaggebend für Pichlers Studienwahl war: „Mein Freund war von seinem Physikstudium an der TU Graz so begeistert, dass ich mich auch dafür entschieden habe.“ 2021 will Pichler seine Dissertation beenden. Wie es danach weitergehen soll, steht noch in den Sternen. Der Jungwissenschafter hat aber schon einen Plan, wie er lachend zugibt: „Mein Schulfreund hat mich immer auf gute Ideen gebracht. Er hat gerade seinen Abschluss gemacht und ich schaue einfach einmal, wo es ihn jetzt hinzieht.“

Bis es so weit ist, umgibt sich der Physiker weiterhin mit dem melodischen Summen seiner Ohm´schen Pulsheizung. Die kann übrigens einen aufrechtstehenden Metalldraht so schnell erhitzen, dass er auch flüssig noch einen kurzen Moment aufrecht steht und so kontaktlos untersucht werden kann; auch so eine Methode, mit der Peter Pichler seinen Metallproben ihre Geheimnisse entlockt.