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Nanotechnisch

Dr. Ioana Cozmuta, Leiter des Microgravity beim Space Portal, NASA Ames Research Center in Silicon Valley

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„Aus der Synergie zwischen Nanotechnologie und Schwerelosigkeit ergeben sich zahlreiche Vorteile: In der Abwesenheit von Schwerkraft erwarten wir, dass die Genauigkeit der kontrollierten Anordnung und Manipulation von Atomen im Nanobereich höher ist. Mit identischen Experimenten auf der Erde und im Weltraum können Wissenschaftler von der Schwerkraft verursachte Probleme und Einschränkungen enträtseln. In der Schwerelosigkeit gibt es ein breites Spektrum für nanotechnologische Anwendungen." 

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Ioana Cozmuta, Ph.D.
Microgravity Leiter bei der Science and Technology Corporation,
Space Portal, NASA Ames Research Center in Silicon Valley

Dr. Ioana Cozmuta ist Leiter der Microgravity beim Space Portal, NASA Ames Research Center in Silicon Valley, einem Anbieter von Technik-, Wirtschaftsinformation und Business Intelligence. Sie entwickelte das innovative Konzept "Verticals of Microgravity", um Entdeckungen aus der Mikroschwerkraft in vertikale Märkte umzusetzen. Sie hat auch den "Economic Readiness Level" als Auswahlkriterium für die Technologien auf der Basis ihres wirtschaftlichen Potenzials beschrieben.

Ioana Ist ein TedEx "Future Spoiler" Referent und war hat zahlreiche Vorträge in den USA und im Ausland gehalten. Sie hat an der Universität Groningen in Physik promoviert, war Computational Chemistry Research Associate bei Caltech und Biochemistry Research Associate in Stanford. Ioana schloss sich 2003 dem NASA Ames Forschungszentrum für Nanotechnologie an, um einen Nanoporensensor für die DNA-Sequenzierung zu entwickeln. Danach hat sie auf dem Gebiet von elektrischen Doppelschichten an den Grundlagen der Oberflächenkatalyse und an Gas-Oberflächenwechselwirkungen gearbeitet. Mit ihrem Sachverstand für Wiedereintrittssysteme hat sie das Stardust Post-Flight Analyseteam unterstützt und in Führungspositionen für das Orion CEV Margins Management Team und Material Response Team für MSL / MEDLI gearbeitet. Sie initiierte und leitete die erste Gordon Research Konferenz für atmosphärische Wiedereintrittsphysik, Grundlagen der Umwelt-Materialwechselwirkungen, Modelle und Designansätze für den Weltraum.

Im Oktober spricht sie auf dem internationalen Symposium für private und kommerzielle Raumfahrt (ISPCS). Danach hält sie Vorträge bei Space 2.0 und dem Space Technology and Investment Forum.
Beim Space Technology and Investment Forum in San Francisco werden erfolgreiche CEOs aus der Raumfahrtindustrie und Gründer von neuen Raumfahrtunternehmen über ihre Erfahrungen bezüglich Finanzierung und kreativen Finanzierungslösungen für neue Produkte und Dienstleistungen sprechen. Auserwählte Firmen werden Ideen für neuartige Wirtschaftsunternehmen in der Raumfahrttechnologie präsentieren.

 

Warum denken Sie, sind Schwerelosigkeit und Weltraumressourcen wichtig für künftige Innovation?

Da gibt es drei Hauptgründe:
1. Es besteht ein Mangel an Ressourcen auf der Erde
2. Die gegenwärtigen Herstellungsverfahren sind nicht nachhaltig, hochverschmutzend und in der Regel ineffizient. Beim Unternehmensaufbau legt man den Schwerpunkt darauf, dass die Dinge funktionieren und nicht unbedingt, wie sie optimiert werden können im Angesicht von vorhersehbaren langfristigen Konsequenzen.
3. Wichtige Anwendungen wie Computer, Telekommunikation, Energie und Automobile stoßen an die Grenzen der Leistungsfähigkeit der zugrunde liegenden Materialien - Metalle, Halbleiter, granuläre Werkstoffe, Biomaterialien, Glas und Keramik, Polymere und organische Stoffe. Arbeitsintensive Bestrebungen auf der Erde zur Optimierung sind vor allem zurückzuführen auf physikalische Phänomene, die von der Schwerkraft überlagert sind.
Die Verlagerung von wichtigen Produktionsabläufen in den Weltraum hat möglicherweise enorme Vorteile. Zusätzlich zur Schwerelosigkeit bietet die Weltraumumgebung niedrige Temperaturen und Sonnenenergie ohne Grenzen. 

 

Welches Potenzial hat die Schwerelosigkeit durch Erkenntnisse in Materialkunde und Naturwissenschaft unser Leben zu verändern?

Die Forschung in der Schwerelosigkeit des Weltraums hat unser Verständnis von grundlegenden physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen bereits vertieft und eine Fülle von Ergebnissen in zahlreichen Disziplinen geliefert. Schwerelosigkeit bietet die einzigartige Gelegenheit, Materialienphänomene in geschmolzenem, flüssigem und gasförmigem Zustand zu untersuchen. Die Schwerelosigkeit verringert oder eliminiert Konvektion (ausschließlich diffusionsgetriebener Transport) und Sedimentationseffekte. Viele Stoffe im Weltraum existieren als stabile freie Suspension in perfekten Sphären. Die folgenden vier generellen Kategorien von materialwissenschaftlichen Experimenten in der Schwerelosigkeit werden untersucht:

1. Schmelzwachstum (Verarbeitung von Mehrkomponentenlegierungen in Flüssigform). Diese Experimente erfordern häufig hohe Temperatur und geschlossene Behälter, um elementare Verluste zu verhindern.
2. Wässrige oder Lösungswachstumsversuche (Zeolithe, Triglycsulfat, hydrothermale Verarbeitung anorganischer Verbindungen, Sol-Gel-Verfahren). Diese Experimente erfordern mittlere bis niedrige Temperaturen.
3. Dampf- oder gasförmige Umgebung (wachsende Quecksilberjodid- oder Plasmabehandlung, Flammendynamik).
4. Containerfreie Prozessumgebung (Bildung von metallischem und nichtmetallischem Glas in der Schwerelosigkeit. Messung der thermophysikalischen Eigenschaften wie Diffusionskoeffizienten und Oberflächenspannung usw. von Float-Zone Kristallwachstum) zur Beseitigung von Verunreinigungen und Stress. Fehlender Wandkontakt verhindert die unerwünschte Keimbildung.

Wie bereits erwähnt, ist die Schwerkraft eine wichtige, aber oft übersehene Variable in Phasendiagrammen. Ob Kristallisations- oder kolloidale Mischungen, in der Schwerelosigkeit sind die Komponenten zu Beginn gleichmäßig im System verteilt und der Übergang im Phasendiagramm erfolgt meist langsamer (diffusionsgetrieben). Es ist klar, dass die Abwesenheit von Schwerkraft die Modalität und Längenskala, auf der die physikalischen und chemischen Wechselwirkungen auf atomarer Ebene auftreten, beeinflusst. Das führt auf makroskopischer Ebene zu einer Verlagerung der Löslichkeits- und Sättigungskurven und einer Änderung der Größen von Keimbildungs- und Niederschlagszonen. Damit kommt es zu einem besser kontrollierten Keimbildungsprozess mit größeren Kristallen mit besserer Auflösung oder hoher Ordnung (Kolloide). In einem Gravitationsfeld zersetzt sich ein binäres Gemisch, hergestellt aus einer Zusammensetzung zwischen binodaler und spinodaler Krümmung, sofort, wobei die Zusammensetzung rasch in Richtung Koexistenzkurve treibt. Die Schwerelosigkeit kann instabile Bereiche im Phasendiagramm fixieren. In diesen Bereichen können neue Materialien mit interessanten Eigenschaften in der Schwerelosigkeit erzeugt werden.

Mehrere Hypothesen der Grundlagenphysik werden bei niedriger Temperatur und gleichzeitiger Schwerelosigkeit mit Hinsicht auf Gravitations-Quanten-Effekte geprüft. Dies könnte bestehende Limitierungen in der heutigen Welt der Physik auflösen und neue Erkenntnisse zum Verständnis des Universums entfalten.

Schwerelosigkeit kann in einzelnen Zellen sowie komplexen Organismen Veränderungen hervorrufen. Das konnte man sich früher so nicht vorstellen. Die Reaktion auf die Schwerkraft (oder deren Fehlen) ist komplex und kann in zwei Kategorien zusammengefasst werden:
Die Beeinflussung von Zellen durch Schwerkraft: Die molekularen Mechanismen, mit denen die Schwerkraft biologische Systeme beeinflusst, sind noch weitgehend unbekannt. Ein "Schwerkraftsensor" wurde bisher nicht identifiziert.

Die Reaktion von Zellen auf Schwerkraft: Die Anpassung an die Erdanziehung (up-down Asymmetrie, strukturelle Festigkeit, sensorische Systeme) ist in den Genen codiert. Ein Organismus erwartet die physikalische Auswirkung der Schwerkraft: Sedimentation, Konvektion, Transportprozesse, hydrostatischer Druck, Randbedingungen und Reibung.

Der atmosphärische Druck beeinflusst direkt die Zellstruktur, Adhäsion und Signalgebung. Vermischung / thermische Konvektion sind für langsameren Wärmeaustausch und Nährstoffwechsel wichtig bei Gewebekulturen. Sedimentation und Auftrieb spielen eine Rolle beim Wurzelwachstum und bei Zellkulturstrategien. Oberflächenkräfte sind wichtig für die "chemische Kommunikation" einer Zelle (Entwicklung, Krankheit, Funktion). Ähnlich wie in der Materialkunde ist die Erforschung von Kristallisations-Phasendiagrammen für weiche Materie (Proteine, Polymere von Biomolekülen, usw.) von direktem Nutzen für das Design von Arzneimitteln auf der Erde.

 

Welche Arten von neuen Materialien, die nicht hier auf der Erde gemacht werden können, werden derzeit auf einer niedrigen Umlaufbahn in der Schwerelosigkeit entwickelt?

Es gibt viele, aber ich kann schnell zwei Beispiele nennen: Exotic Optical Fibers und Compound Semiconductor Wafers.

Zahlreiche Anwendungen beruhen derzeit auf der Basis von Siliziumdioxid und seinen Eigenschaften. Dies liegt daran, dass Silikafasern wesentlich billiger in der Produktion sind als exotische Fasern. Silikafasern kosten etwa 20 Dollar/m. Im Vergleich dazu betragen die Preise für ZBLAN, je nach Qualität und Zusammensetzung, 150 bis 300 Dollar/m. Die Modifikation für multimodale Übertragung oder Doping erhöht den Preis dann auf bis zu 3000 Dollar/m. Silicafasern sind stärker und zugleich flexibler als ZBLAN, der stärksten exotischen Faser, die sich auch bestens für die Dotierung eignet. Silikafasern von mehreren Kilometern Länge können in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt werden. Bei ZBLAN ist die Produktion auf 700 m pro Arbeitsgang begrenzt. Bei der Siliciumdioxidtechnologie sind die Transmissionsverluste sehr hoch und die Betriebsbandbreite ist sehr schmal. Sie endet beim Übergang in den mittleren IR-Bereich. Der mittlere IR-Bereich (wo die meisten molekularen Spektren liegen) ist jedoch für Anwendungen bei Laserölbohrungen, medizinischen Geräten, Computern, der Telekommunikation, hochfrequenten Markttransaktionen, der Verteidigung, Sensoren usw. von Interesse. Mit dem jüngsten Wachstum im Bereich der Fotonik hat die Nachfrage für exotische Fasern wie ZBLAN exponentiell zugenommen. ZBLAN-Fasern haben ein großes Reflexionsvermögen, das bei der Kurzstreckenübertragung wichtig ist. Ihr breites optisches Übertragungsfenster reicht mit nur geringem Verlust in den IR-Bereich. Das Herstellen exotischer Fasern erfordert das Verschmelzen der Komponenten zu einem Vorformling. Fasern werden dann durch das Schmelzen des Vorformlings hergestellt und auf eine Aufwickelspule aufgezogen. Die schweren Elemente im ZBLAN-Gemisch haben unterschiedliche Dichten und führen zu unterschiedlichen Kristallisationstemperaturen. Im Gravitationsfeld führt dies zu unerwünschter Kristallisation. Es wird ferner angenommen, dass die schwerkraftinduzierte Sedimentation zur Trennung der Bestandteile von ZBLAN führt und damit interne Inhomogenität verursacht. Es wird angenommen, dass die Herstellung von exotischen Fasern in der Schwerelosigkeit der einzige Weg ist, in die Nähe des theoretischen Leistungsvermögens zu kommen. Bei einer Wellenlänge von 1-4,5 µm ist das maximale Leistungsvermögen 100-1000 Mal höher als bei gegenwärtigen Si-Fasern. Eine signifikante Verbesserung wird bereits durch die Wiederaufarbeitung der Vorform in der Schwerelosigkeit beobachtet. Die Schwerelosigkeit unterdrückt sowohl Nukleations- als auch Kristallisationseffekte, die direkt den Dämpfungs-Breitband-Eigenschaften zugrunde liegen. Theoretisch gibt es im Weltraum keine Begrenzung der Faserlänge, ganz im Gegensatz zu den Bedingungen auf der Erde. Mit einem Pfund des Vorformlings können schätzungsweise 8 km ZBLAN-Faser mit einem ungefähren ROI von 90-300x erzeugt werden.

Das zweite Beispiel betrifft die Anwendung der Schwerelosigkeit als Mittel zur "Heilung" von Wafern mit niedriger Qualität. Defekte in Siliciumcarbid-Wafern verringern die Betriebszuverlässigkeit, beschränken die Leistungsfähigkeit und verhindern die Herstellung von Großgeräten. A2M, ein Unternehmen in Albuquerque, nutzt die kurzzeitige Schwerelosigkeit, um elektrisch signifikante Defekte in bestehenden SiC-Wafern zu korrigieren. Waferhersteller produzieren kostengünstige Entwicklungswafer und lassen A2M diese für eine Pauschalgebühr in "S-grade" Wafer umwandeln. Der genaue Mechanismus der eingehenden Defektheilung wird derzeit von Prof. Debbie Senesky und ihrer Gruppe im XtremeLab an der Stanford University untersucht. Weitere Verbesserungen sind zu erwarten, wenn die Wafer vollständig in der Schwerelosigkeit hergestellt werden.

 

Derzeit werden 1,5 Milliarden Dollar in die Forschung der Nanotechnologie investiert. Investitionen zur Forschung in der Schwerelosigkeit sind im Vergleich dazu minimal. Wie kann die Forschung in der Nanotechnologie und der Mikrogravitation einen schnellen wissenschaftlichen Fortschritt unterstützen?

Nanotechnologie und Mikrogravitation sind in der Tat in vielen Aspekten synergistisch. Für beide Gebiete gibt es eine Vielzahl von Anwendungen, nicht nur ein schmales Segment. Beide Gebiete haben das Potenzial für tief greifende Transformation.

Die Schwerkraft führt zur Störung der "perfekten" Ordnung im Nanometerbereich. In der Schwerelosigkeit erwarten wir, diesen Effekt umzukehren und die Präzision der kontrollierten Anordnung und Manipulation von Atomen im Nanometerbereich zu verbessern. Die jährliche Investition in R&D für Untersuchungen auf dem Gebiet der Schwerelosigkeit in den USA liegt bei etwa 250 Millionen Dollar pro Jahr – wesentlich weniger als das nationale Budget für Nanotechnologie. Schwerelosigkeit steht nun Wissenschaftlern in der Nanotechnologie als Forschungsmittel zur Verfügung. Der interdisziplinäre Austausch zwischen verschiedenen wissenschaftlichen Gebieten wird gefördert. Das könnte zahlreiche Vorteile bieten: Dank identischer Experimente auf der Erde und im Weltraum können Wissenschaftler von der Schwerkraft verursacht Probleme und Einschränkungen enträtseln. Neue Ideen und Technologien in beiden Welten. Das Arbeiten im Weltraum erfordert Miniaturisierung. Das führt zu unbeabsichtigten, vorteilhaften Anwendungen mit einem breiteren Anwendungsspektrum auf der Erde. So gesehen kann die Forschung in der Schwerelosigkeit Nanotechnologieprojekte ermöglichen, die auf der Erde gar nicht vor möglich sind. Wer weiß, welch erstaunliche Fortschritte daraus entstehen können?

 

Wie kann ein Rasterkraftmikroskop bei der Forschung in der Schwerelosigkeit helfen?

RKM ist eine Technologie, die jedes respektable Labor haben sollte, aber ich bin mir nicht sicher, ob es ein RKM auf der ISS gibt. Für eine Vielzahl von Experimenten in der Schwerelosigkeit würde die "on-site" Charakterisierung auf der atomaren Ebene die ISS auf das gleiche Niveau bringen wie die Laboratorien auf der Erde. Darüber hinaus wäre der direkte Vergleich von RKM-Analysen auf der Erde und im Weltraum wichtig als Beweis für die Konsequenzen der reduzierten Schwerkraft und würde die Glaubwürdigkeit der Ergebnisse erhöhen.

Wegen der großen Kosten, die mit dem Erreichen einer niedrigen Erdumlaufbahn verbunden sind, müssen die meisten Technologien für den Weltraum miniaturisiert werden. Das wäre möglicherweise auf der Erde nicht passiert. Dies ist für beide Seiten von Vorteil.

 

Können Sie uns Schwerkraft im Orbit, Gravitationswellen und Andruckkräfte erklären? Wie helfen diese uns, unseren Platz im Universum zu definieren?

Als Physikerin sehe ich die Schwerkraft als einen physikalischen Parameter, der zusammen mit Druck und Temperatur das Phasendiagramm und den Zustand eines Systems definiert. Wir besitzen eine Menge an Informationen über die Existenz, Stabilität und Verhalten von inerten und lebenden Systemen. Dieses Wissen beschränkt sich jedoch fast ausschließlich auf Bedingungen bei einer g-Kraft von 1 g. Für Bedingungen in niedriger Umlaufbahn wissen wir wesentlich weniger. Aber es gibt so viel zu erforschen - die Oberfläche eines Planeten ist in der Tat ein großes Labor für den entsprechenden Schwerkraftwert. Aussagekräftige Experimente müssen in der entsprechenden Umgebung langfristig und in situ durchgeführt werden, nicht durch simulierte Gravitationsexperimente auf der Erde. (Das bedeutet nicht, dass Experimente in der simulierten Schwerkraft nicht ihren Stellenwert haben).

Wenn man an über die Schwerkraft nachdenkt, wird einem bewusst, wie viel unser Denken und unsere Intuition auf das 1 g-Feld, in dem wir leben, abgestimmt ist. Es gibt Fragen, die mich täglich beschäftigen - wie würden wir, Wesen der 1 g-Umwelt, handeln oder denken, wenn wir auf dem Mars oder dem Mond oder einem anderen entfernten Planeten am anderen Ende des Universums leben und arbeiten würden? Oder nach einem solchen Aufenthalt zurückkommen und wieder hier leben würden? Ich glaube, das wäre eine ernüchternde Erfahrung. Ich würde hoffen, dass wir die erstaunlich gastfreundlichen Bedingungen auf der Erde wertschätzen würden und diesen Planeten hoffentlich mit mehr Respekt behandeln würden. Mehr Rücksichtnahme mit unseren Ressourcen, eine gemäßigte und nachhaltige Lebensweise. Die Gesellschaftsstrukturen wären wohl auch anders. Unsere erdzentrische, egozentrische Einstellung sollte sich verändert haben. Jeder von uns ist ein Bruchteil eines Pixels auf der Leinwand des Universums. Oder um einen "Nanotechnologie"-Vergleich herzustellen - und ein Standardmodell der Physik zu verwenden – die Vibration einer Saite, die möglicherweise ein Teilchen irgendwo im Inneren des Materials erzeugt.

Die Forschung, wie das Studium eines Systems in einer veränderten Gravitationsumgebung, ist eine starke Quelle für Kreativität. Große Durchbrüche und Innovationen wurden durch das Studium von Systemen unter extremen Bedingungen, zum Beispiel bei niedrigen Temperaturen oder hohen Energien, erreicht. Um eine neue Systemvariable zu enträtseln, den Mechanismus zu verstehen, wie sie das Phasendiagramm von inerten und lebenden Systemen verändert, diese Information in die Praxis umzusetzen, brauchen wir einen gründlichen, gut validierten, soliden, stabilen und langfristigen Plan. Das ist ein riesiges Unterfangen. Wird die Menschheit in der Lage sein, einen solchen Plan zu erstellen, um in Harmonie und Übereinstimmung zu leben (für unser eigenes Wohlbefinden und Überleben)?

 

Warum ist es wichtig für unsere Zukunft als Spezies, andere Planeten zu besiedeln und dies auf eine „menschliche“ Art zu tun?

Die Zukunft gehört denen, mit einer Vision und Entschlossenheit die Ressourcen des Weltalls für ihr Unternehmen (und warum nicht auch ihr Alltagsleben) intelligente und gut zu nutzen. Wir alle brauchen einen Paradigmenwechsel in der Philosophie der Wirtschaft und wie wir miteinander, mit der Umwelt und der Zukunft der Menschheit umgehen. Dies erfordert, dass Individuen mit Verantwortung für sich und die Menschheit handeln und denken. Große Konzerne könnten hier Vorreiter sein für eine Neudefinition des Begriffs Return on Investment. Neben Umsatz sollten hier Nachhaltigkeit und Effizienz mit eingeschlossen werden. Einige vorausdenkende CEOs haben das bereits getan. Vermögen wird nicht nur mehr mit Blick auf den Umsatz einzelner oder lokaler Unternehmen gesehen, sondern auf die Fähigkeit, Vermögen langfristig und global zu erwerben: für kommende Generationen.

 

Was sind zurzeit die wirtschaftlichen Herausforderungen und Einschränkungen für die Förderung der Mikrogravitationsforschung und -vermarktung und wie kritisch ist es, den immateriellen Wert dieser Forschung zu erkennen?

Die Liste der wirtschaftlichen Herausforderungen und Einschränkungen ist leider ziemlich lang. In erster Linie brauchen wir ein selbsttragendes System für die Kommerzialisierung der Mikrogravitation. Wie man auf niedriger Umlaufbahn (LEO) Geld verdienen kann, sollte klar und transparent sein. Wie Mikrogravitation zur Grundlagenforschung oder neuen Patenten beitragen kann, sollte in einer überzeugenden Weise präsentiert werden.

Anreize für die Gründung einer blühenden LEO Wirtschaft zu schaffen ist immer noch eine Sache des Staates. Dies wird nicht über Nacht geschehen. Das hängt von der Schaffung eines langfristigen, stabilen Programms ab. In gewisser Hinsicht glaube ich, dass Menschen die NASA als die Verwalterin unserer Zukunft als Spezies sehen. Ein Job bei der NASA ist nicht nur ein Job - das ist eine große Verantwortung und sollte als solche behandelt werden.

Im Sachen Politik sollten wir uns an die 1860er Jahren und den Bau einer "transkontinentalen Eisenbahn" erinnern. Die "Pacific Railroad Acts" genehmigten die Herausgabe von Staatsanleihen und die Gewährung von Grundstücken an Eisenbahnunternehmen. Da es nicht möglich ist, freies Land in im Orbit anzubieten, könnte man die Gründung von Unternehmen im LEO erlauben und den Firmen Steuervergünstigungen anbieten. Da noch keine LEO-Wirtschaft existiert, würde ein Aussetzen der Besteuerung von Produkten aus dem Orbit für 10 Jahre kostenneutral sein. Ein weiterer Anreiz wäre die steuerfreie Rückführung von Kapital aus Übersee in die USA, wenn das Geld für die Kommerzialisierung im All verwendet wird. Das wäre ein direkter Weg für Firmen in den USA, Geld zu verdienen.

Aus technischer Sicht ist der Wert der Forschung in der Mikrogravitation gut verstanden und akzeptiert. Das bedeutet nicht, dass wir alle experimentellen Daten haben oder das Potenzial der Schwerelosigkeit vollständig verstanden haben. Hier ist wissenschaftliche, fundamentale, gründliche Forschung angesagt. Private Unternehmen, die interessiert sind an der Nutzung des Weltraums, sollten Folgendes berücksichtigen: (1) Existenz einer öffentlichen, kommerziellen Mikrogravitationsdatenbank zur Bereitstellung relevanter technischer und wirtschaftlicher Rahmenbedingungen (2) Fähigkeit, die Abhängigkeiten und Risiken des Betriebs im Weltraum zu identifizieren, zu verstehen und zeitnah zu behandeln, damit diese nicht zu beeinträchtigenden Faktoren bei der Entwicklung des Unternehmens führen (3) Zugang zu erschwinglicher, serienmäßig produzierter Hardware.

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Geschichte und Stellenwert der Mikrogravitationsforschung

Die Herstellung von Werkstoffen in der Schwerelosigkeit wurde bereits 1753 auf der Erde eingesetzt, als William Watts aus Bristol, England, einen 168 Fuß hohen Fallturm in Chester, England baute, um geschmolzenes Blei zu einer gleichmäßigen Kugel für Schusswaffe zu verarbeiten. Ein ähnlicher Turm aus dem Jahr 1828, der 234 Fuß hohe Phoenix Shot Tower steht in Baltimore, MD. Für die Herstellung von Hochleistungsmaterialien ist jedoch eine längere Zeit in der Schwerelosigkeit notwendig wie zum Beispiel auf einer niedrigen Erdumlaufbahn. Im Space Shuttle gab es eine Wake Shield Facility mit einem Ultrahochvakuum. Die "Reinraum"-Bedingungen wurden für das Epitaxiewachstum von Halbleiterkristallen benutzt.

Es gibt vier Hauptkategorien, bei denen der langfristigen Aufenthalt in der Schwerelosigkeit zum Tragen kommt:
1. Neue Einblicke in das Systemverhalten und Antwort auf Variationen in der Umgebung und Identifizierung neuer Endzustände von Systemen. Dieses Wissen wird in LEO durch eine Reihe von zielgerichteten Experimenten erfasst. Eine Technologie wird dann auf der Erde zur Nachahmung des neu beobachteten Zustandes entwickelt. Diese Technologie wird dann kommerzialisiert.
2. Verarbeitung / Aufbereitung im Weltraum von auf der Erde hergestellten Produkten. Dieser Ansatz sucht nach Verbesserungen der Eigenschaften und Leistungsfähigkeit von Produkten durch einen Aufarbeitungszyklus im Weltraum.
3. Fertigung und Montage im Weltraum. Bei diesem Verfahren wird das Produkt aus seinen einzelnen Komponenten in der Schwerelosigkeit aufgebaut.
4. Demonstrationen und Miniaturisierung. In diesem Fall wird eine Technologie für einen bestimmten Zweck im Weltraum entwickelt. Durch Zufall stellt sich dann heraus, dass diese auf der Erde von Nutzen ist. Aufgrund der strengen Gewichtsbeschränkungen im All werden Technologien für den Einsatz im Weltraum miniaturisiert, was wiederum von Nutzen für die Anwendung auf der Erde ist.

 

Aktuelle Chancen für die Förderung der Mikrogravitationstechnologie

Forschung und Entwicklung in der Schwerelosigkeit sowie die Chancen zum Flug werden in erster Linie staatlich finanziert und unterstützt. Auf der NASA-Seite sind die bestehenden Ansuchen auf NSPIRES zu finden: (http://nspires.nasaprs.com/external/solicitations/solicitations.do?method=init&stack=push Eine weitere Möglichkeit ist über das ISS National Laboratory und das Center for Advancement of Science in Space, CASIS (http://www.iss-casis.org ) indem man auf eine Ausschreibung antwortet oder einen unaufgeforderten Vorschlag einreicht. Es gibt auch kommerzielle Unternehmen wie NanoRacks, die Zugang zum All und der ISS haben und Mikrogravitationsexperimente durchführen.