Vor einem wolkenlosen Himmel ragt die verglaste Spitze eines schlichten, glatten Turms auf.

Der Fallturm in Bremen – ein Reisebericht

Im September 2013 hatte der Physik-Leistungskurs des Schiller-Gymnasiums Hameln die Möglichkeit, den in Europa einzigartigen Fallturm des ZARM (Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation) in Bremen zu besichtigen. Dabei erhielten wir einen interessanten Einblick in einen speziellen Bereich der Raumfahrttechnologie, in dem die Untersuchung gravitationsabhängiger Phänomene und raumfahrtrelevanter Probleme im Fokus steht.

Unter einem sehr hohen, runden Metallschacht steht ein junger Mann und behandelt die Spitze eines großen Metallzylinders, der im Schacht aufgehängt ist.
Vorbereitung des Fallzylinders

Das Herz eines jeden Schwerelosigkeitsexperimentes stellen die bis zu 2,90 Meter hohen Fallkapseln dar. In ihnen sind kompakte Experimente aus den Bereichen der Fluidmechanik, Verfahrenstechnik, Verbrennung, Materialwissenschaften, Biotechnologie und Quantenphysik aufgebaut, die in dem 146 Meter hohen Fallturm für 4,7 Sekunden frei fallen können. Ziel dieser Abwürfe ist es, für eine kurze Zeit und unter kontrollierten Bedingungen eine experimentelle Umgebung unter nahezu perfekten Schwerelosigkeits-Bedingungen zu schaffen. Nach dem Äquivalenzprinzip von Albert Einstein herrscht in den Fallkapseln während des freien Falls Schwerelosigkeit. Die Experimente am Fallturm sind kostengünstiger als Parabelflüge und werden auch für Tests herangezogen, die Machbarkeit von Experimenten für Weltraummissionen wie etwa auf der Internationalen Raumstation ISS, im Vorfeld zu überprüfen.

Vor klarem Himmel ragt ein schlanker, hoher Turm auf, dessen Ende in einer Spitze aus Glas zuläuft. Der Turm hat keine Fenster, sondern nur wenige kleine Gitter-Öffnungen. Der Sockel des Turms ist eine abgeschnittene Pyramide auf einem quaderförmigen Zweckbau.
Außenansicht des Fallturms

Unser Besuch begann mit einem Vortrag über den Fallturm, die Kapsel und das Katapult, und wir erhielten einen kurzen Überblick über die aktuellen Themengebiete und Experimente am ZARM. Danach ging es mit einem Fahrstuhl in den Bereich der Spitze, wo die stählerne Fallröhre endet. Nach einem kurzen Treppenaufstieg gelangten wir zu der Aussichtsplattform an der Spitze des Fallturms, von der wir einen sehr schönen Ausblick auf Bremen genießen konnten.

Wissenswertes über das ZARM

Das ZARM ist ein thematisch breit aufgestelltes wissenschaftliches Institut, das Entwicklungen im Bereich der Raumfahrttechnologie betreibt und Experimente unter sogenannter Mikrogravitation (Schwerelosigkeit von „hoher Qualität“) durchführt. Ein Beispiel für solche Technologien sind Gravimeter zur Vermessung des Gravitationsfelds der Erde. Zudem wird die Verbrennung von Biodiesel untersucht, um Motoren effizienter zu gestalten, ebenso wie das Verhalten von Strömungen in Schwerelosigkeit, das bei der Treibstoffzufuhr von Raketen von Bedeutung ist. Die verschiedenen Experimente haben das Ziel, die infrage stehenden physikalischen Vorgänge zu verstehen und eine technologische Antwort auf bestehende Probleme zu geben.

Ein Mann mittleren Alters steht hinter einer kleinen, metallenen Apparatur mit einigen Schläuchen. Er arbeitet mit einer feinen Pinzette daran und hat einen konzentrierten Gesichtsausdruck.
Vorbereitung eines Experiments

Das Zentrum lässt sich grob in drei Bereiche unterteilen: das ZARM Institut der Universität Bremen (Fachbereich Produktionstechnik), die ZARM Betriebsgesellschaft (Betriebswartung) und die ZARM Technik AG (Herstellung von Bauteilen). In den drei Bereichen arbeiten etwa 100 Mitarbeiter, darunter Ingenieure/innen, Mathematiker/innen, Physiker/innen oder Computerexperten/innen in der Forschung, der Herstellung oder dem Vertrieb. Als Teil des Fachbereichs Produktionstechnik der Universität Bremen können Studenten bereits im Rahmen ihrer Bachelor- oder Masterarbeit erste Erfahrung in den Bereichen Raumfahrttechnologie oder Fundamentalphysik sammeln. Das Zentrum für Raumfahrttechnologie ist international bekannt, und Mitarbeiter aus der ganzen Welt sind an den Entwicklungen und Experimenten im Fallturm beteiligt.

Turm, Kapsel und Katapult

Der Turm ist 146 Meter hoch, wobei die Fallröhre nur 110 Meter beträgt. Die Fallzeit, für die in der Kapsel Schwerelosigkeit herrscht, beträgt 4,7 Sekunden. Die Kapsel hat vor dem Einschlag eine Endgeschwindigkeit von etwa 46 m/s (ca. 170km/h) und wird in 0,2 Sekunden mit bis zu 50g (dem 50-Fachen der normalen Gravitationsbeschleunigung von g=9,81 m/s²) in einem Becken, das mit kleinen Styroporkugeln gefüllt ist, abgebremst. Die Kapsel kann bis zu 2,90 Meter hoch sein, hat einen Durchmesser von 80 Zentimetern und wiegt höchstens 500 kg.

Ein Mann mittleren Alters sitzt in einem abgedunkelten Raum an einem Schreibtisch, vor sich zahlreiche Computer-Monitore. An die Wand hinter dem Schreibtisch sind Kamera-Bilder aus dem Fallturm projiziert.
Das Kontrollzentrum des Fallturms

Dass die Abwürfe am ZARM relativ günstig und täglich verfügbar sind, ist ein Vorteil gegenüber Parabelflügen, wie sie beispielsweise die Europäische Raumfahrtagentur ESA durchführt. Damit der freie Fall der Kapsel in der Röhre möglichst ideal verläuft, muss der Luftwiderstand möglichst gering sein. Das wird erreicht, indem man durch leistungsfähige Pumpen den Druck in der Fallröhre auf 10–20 Pascal, also auf etwa ein Zehntausendstel des Normaldruckes, verringert. Dieses Prozedere dauert vor einem Abwurf etwa 100 Minuten. Außerdem ist eine sehr sanfte und störungsfreie Abtrennung der Kapsel von der Aufhängung im Moment des Abwurfes nötig, um unkontrollierte Impulsübertragungen auf die Fallkapsel zu minimieren, die zu einer Drehung der Kapsel führen würden. Eine geringe Restrotation der Kapsel um ihre Längsachse (weniger als 1° über die Fallstrecke) lässt sich dabei nicht vermeiden.

Über einem großen, runden Behälter gefüllt mit kleinen weißen Kügelchen hängt aus einem runden Schacht ein zylinderförmiges Objekt mit einer Spitze nach unten. Die Spitze ist mit den Kügelchen aus dem Behälter darunter bedeckt. Ein junger Mann steht rechts von dem Behälter und greift mit einer langen Stange zum Zylinder über dem Behälter.
Bergung einer Fallkapsel aus dem Auffangbehälter

Aufgrund der beschriebenen Fehlerquellen ist eine perfekte Schwerelosigkeit prinzipiell nicht zu erreichen. Da die im Fallturm gemessenen Restbeschleunigungen, die ein Abweichen vom idealen Freifall darstellen, in der Größenordnung von einem Millionstel g liegen, bezeichnet man die Bedingungen in der Fallkapsel auch als Mikrogravitation. Die Qualität dieser Schwerelosigkeit ist wesentlich besser als bei einem Parabelflug.

Dennoch dauern die Abwürfe nur 4,7 Sekunden und können maximal dreimal täglich durchgeführt werden, was einen Nachteil im Vergleich zu den Parabelflügen darstellt. Mit dem 2004 erbauten Katapultsystem, mit dem man die Kapsel aus einem 12m tiefen Schacht nach oben in die Spitze des Fallturms schleudert, kann die für Mikrogravitation verfügbare Zeit auf knapp 9 Sekunden erhöht werden. Die beiden folgenden Videos sind bei Versuchen der ESA am ZARM entstanden und zeigen die beiden Einsatzmöglichkeiten: als einfacher Fall oder als Katapultwurf aus dem Tunnelschacht.

Fundamentalphysik

Neben den Fallturmexperimenten beschäftigt sich eine Gruppe von Physikern am ZARM mit theoretischen Aspekten der Fundamentalphysik und deren Messbarkeit in Mikrogravitation für erdgebundene oder Raumfahrtexperimente. Dabei spielen derzeit die folgenden drei Themengebiete Kosmologie und Astrophysik, Quantenphysik und Quantengravitation eine große Rolle.

Die Kosmologie stellt ein Modell über den Aufbau des Weltalls auf sehr großen Skalen auf und versucht, Antworten auf grundlegende Fragen zu seiner Struktur zu geben. Sie zieht unter anderem Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie heran und befasst sich mit dem Urknall und den Begriffen der Dunklen Energie und der Dunklen Materie.

Ein wichtiges Projekt aus dem Bereich der Quantenphysik ist QUANTUS (Quantengase unter Schwerelosigkeit), das am Fallturm in Kooperation mit verschiedenen Universitätsinstituten in Deutschland durchgeführt wird. Ziel ist es, mithilfe ultrakalter Atome hochpräzise Quantensensoren zur Messung der lokalen Erdbeschleunigung zu entwickeln. Unter Verwendung von sogenannten Bose-Einstein-Kondensaten soll damit in Zukunft ein sehr genauer Test des Einsteinschen Äquivalenzprinzips gelingen.

Die Quantengravitation versucht zwei der zentralen physikalischen Theorien des letzten Jahrhunderts, die Relativitätstheorie und die Quantentheorie, zu vereinigen. Während die allgemeine Relativitätstheorie die Gravitationswirkung von Massen und den Aufbau des Universums auf großen Skalen beschreibt, beleuchtet die Quantentheorie den Aufbau der Materie und die Wechselwirkung der Elementarteilchen im Kleinen. Heutzutage existieren verschiedene, konkurrierende Modelle der Quantengravitation. Eine einheitliche, widerspruchsfreie Theorie der Quantengravitation lässt weiter auf sich warten.

Ein Besuch des Fallturms in Bremen ist wirklich lohnenswert, um einen Einblick in aktuelle und zukünftige Raumfahrttechnologien und deren Verbindung zur Fundamentalphysik zu bekommen.