Was macht eigentlich unser Ehrenpreisträger?

Astronaut Dr. Matthias Maurer ist Ehrenpreisträger „Innovator des Jahres“ von DDW – und schwerbeschäftigt zur Zeit. Auf seiner Mission „Cosmic Kiss“ auf der Internationalen Raumstation ISS absolviert er einen wahren Wissenschaftsmarathon aus rund 100 internationalen Experimenten – 36 davon aus Deutschland. Aktuell: Die Erforschung der Aushärtung von Beton in der Schwerelosigkeit.

Seit dem 12. November 2021 leben und arbeiten der deutsche ESA-Astronaut Matthias Maurer sowie seine NASA-Kolleginnen und Kollegen Kayla Barron, Raja Chari und Thomas Marshburn auf der Internationalen Raumstation ISS. In diesen Wochen hat der Saarländer schon viel erlebt. „Nach einem etwas holprigen Start mit widrigen Umständen wie mehrmaligen Startverschiebungen und Sicherheitsvorkehrungen, weil Trümmerteile der ISS zu Nahe kamen, ist die ‚Cosmic Kiss‘-Mission jetzt erfreulicherweise voll im Zeitplan. Matthias Maurer hat in den ersten drei Wochen ein starkes Tempo vorgelegt und etwas Zeit wieder reingeholt. Das ist sehr wichtig, weil die Arbeitszeit der Astronauten – die sogenannte Crewzeit – auf der ISS eine besonders wertvolle Ressource ist. Sie wird für Forschung, Nachwuchsförderung und Wartungsarbeiten gebraucht“, betont Volker Schmid, „Cosmic Kiss“-Missionsleiter in der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR.

Wie bei einem aktuellen Experiment im Februar: Wie verhält sich frisch gegossener Beton in der Schwerelosigkeit? Und wie kann dies zum Umweltschutz auf der Erde beitragen? Auf der Internationalen Raumstation ISS sucht Matthais Maurer Antworten auf diese Fragen. Das Experiment „MASON / Concrete Hardening“ ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), der Universität zu Köln und der Universität Duisburg-Essen.

Der Hintergrund der Forschung liegt auf der Hand: Der weltweite Kohlenstoffdioxid (CO₂) -Ausstoß beträgt rund 38 Gigatonnen (38.000.000.000 Tonnen). Davon entstehen allein drei Gigatonnen bei der Herstellung von Zement. Zement wiederum ist der wesentliche Bestandteil von Beton, dem derzeit wichtigsten Baumaterial. Gelingt es, die Verwendung von Beton durch moderne Verfahren zu optimieren, leistet dies einen Beitrag zur Verbesserung der Klimabilanz.

„Das Material Beton ist der Menschheit seit tausenden Jahren bekannt und hält doch immer noch Rätsel für uns bereit. Einen Teil dieser Fragen wollen wir mit Matthias Maurer auf der ISS klären“, sagt Prof. Matthias Sperl vom DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum.

Warum wird Beton auf der ISS erforscht?

Beton ist kein Werkstoff, den man mit der Raumfahrt in Verbindung bringt. Doch eröffnet die Raumfahrt an Bord der ISS durch die dauerhafte Schwerelosigkeit Einblicke in das Verhalten von Materialien, die in irdischen Laboren nur sehr begrenzt möglich sind.

Für die Festigkeit von Beton ist neben dem Mischverhältnis und Verstärkungen (Armierung) das Aushärten des Materials entscheidend. Der Prozess des Aushärtens entscheidet über die Anordnung der Bestandteile im Inneren des Betons sowie über die Verteilung von eingeschlossenen Luftblasen.

Die Aushärtung wird auf der Erde stark von der Gravitation beeinflusst. Für die Materialforschung ist es daher von großem Interesse zu untersuchen, wie sich diese Mischung aus versintertem Kalk und Ton plus Sand und Wasser ohne diesen Einfluss verhält. Dadurch lassen sich chemische und physikalische Prozesse besser verstehen. Diese Erkenntnisse können für optimierte Mischverhältnisse verwendet werden, die schließlich wertvolle Ressourcen einsparen.

Der Erstarrungs- und Trocknungsprozess des Betons kann Wochen und Monate dauern. Aus diesem Grund ist die Forschung auf der Internationalen Raumstation ISS so wichtig, denn nur hier herrschen dauerhaft die gleichen Bedingungen von Null-Gravitation (G).

Die bei den Experimenten von Matthias Maurer gewonnenen Daten liefern auch die Basis und Referenzwerte für weitere Untersuchungen in irdischen Laboren. Hier wird für kürzere Zeit eine künstliche Schwerelosigkeit in sogenannten „Klinostaten“ erzeugt.

„Wenn es uns gelingt, die Schwerelosigkeit zu simulieren, könnte zukünftig zusätzlich eine Vielzahl von Versuchen schneller, einfacher und kostengünstiger durchgeführt werden“, erklärt Prof. Martina Schnellenbach-Held vom Institut für Massivbau (IfM) der Universität Duisburg-Essen. Sie und ihr Team haben das Experiment möglich gemacht: Mit der Entwicklung eines speziellen Betonmischers, der die strengen Sicherheitsvorkehrungen für die ISS erfüllt. Dieser ist gerade einmal so groß wie eine Hand – der Beton wird manuell gemischt.

Wie baut man auf Mond und Mars?

„MASON“ (Materialforschung in Schwerelosigkeit an Beton) hat trotz der irdischen Anwendungen eine kosmische Komponente. Wenn die Menschheit ihre Pläne zum Aufbau einer permanenten Präsenz auf dem Mond oder dem Mars realisiert, müssen die Stationen aus solidem Material gebaut sein. Dies dient in erster Linie dem Schutz vor Kleinstmeteoriten und der kosmischen Strahlung.

Die für Bauprojekte auf der Erde angewandten Formeln zur Berechnung der Statik von Gebäuden gehen immer von der Erdanziehungskraft von 1 G aus. Auf dem Mond ist die Gravitation allerdings um ein Sechstel geringer und es ist nicht gesichert, dass eine simple Umrechnung zu einem stabilen Bauwerk führen würde. Daher sind die im Rahmen von MASON gewonnen Daten im wahrsten Wortsinn ein wichtiger Baustein.

Auf Mond und Mars stehen wesentliche Bestandteile von Beton nicht zur Verfügung, daher untersucht Astronaut Maurer auch Proben, die aus künstlich hergestelltem Mondstaub bestehen.