Granulare Materie

Die Mechanismen der Clusterbildung in granularer Materie sind unter anderem wichtig für ein Verständnis des Verhaltens von interstellarem Staub und die Tiefraumerkundung. Während der 19 Tage dauernden Experimente ließen Hou Meiying (厚美瑛, * 1952) und ihre Kollegen vom Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften granulares Gas in der Schwerelosigkeit frei abkühlen und erhielt so ein Phasendiagramm für den Übergang von gasförmiger zu flüssiger Phase. Man konnte die notwendigen Bedingungen für den Phasenübergang experimentell bestimmen und erhielt starke Hinweise für die Gründe, die zu einer Clusterbildung führen. Weltweit erstmals konnte bei einem granularen Gas in der Schwerelosigkeit das Phänomen des „Maxwellschen Dämons“ beobachtet werden und man erhielt eine experimentelle Grundlage zur weiteren Erforschung der Dissipation bei feinen Partikeln.

Dampfblasen

Zhao Jianfu (赵建福) und seinen Kollegen vom Schwerpunktlabor für Mikrogravitation des Instituts für Mechanik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften erhitzten mit einem flachen Heizelement Flüssigkeit in einem Behälter im Orbitalmodul und bei einem Parallelexperiment auf der Erde und erstellten so eine Siedepunktskurve. In der Schwerelosigkeit wurde eine drastische Abnahme des kritischen Wärmestroms und der Überhitzung der Heizplatte festgestellt. Bei der Überhitzung der Heizfläche zu Beginn des Siedevorgangs und beim Wärmeübergangskoeffizienten bei niedrigem Wärmestrom bestand jedoch nur ein sehr geringer Zusammenhang mit der Schwerkraft. Es konnte die Kopplung zwischen dem thermisch-dynamischen Verhalten von Dampfblasen und der partiellen Wärmeübertragung aufgezeigt werden, was zur Optimierung industrieller Prozesse im Weltall und auf der Erde nützlich war.

Kapillare Konvektion

Mit einem ringförmigen Flüssigkeitsgefäß gelang es Kang Qi (康琦, * 1961) und seinen Kollegen vom Schwerpunktlabor für Mikrogravitation des Instituts für Mechanik weltweit erstmals, in einem großen Krümmungsbereich die kritischen Bedingungen für thermokapillare Konvektion zu ermitteln. Außerdem wurde ein Volumeneffekt bei der thermokapillaren Konvektion in dem Gefäß entdeckt. Man fand verschiedene Formen der Konvektion und ermittelte erstmals, wie diese ineinander übergingen. Diese Ergebnisse hatten einen hohen praktischen Wert für die Handhabung (heißer) Flüssigkeiten im Weltall sowie für die Zucht von Kristallen hoher Qualität im Weltall und auf der Erde.

Verbrennung

Wang Shuangfeng (王双峰) und seine Kollegen vom Schwerpunktlabor für Mikrogravitation entzündeten in der Verbrennungskammer für Nichtmetalle Polymethylmethacrylat und Polyethylen und fotografierten dabei die Ausbreitungsweise von mit langsamer Geschwindigkeit wandernden Flammen. Sie fanden Gesetzmäßigkeiten, wie die Flammen dem Luftstrom dynamisch folgten und dabei die Wärmeübertragung ablief, sie ermittelten die Entzündungsgrenze und die Verlöschungsgrenze der Materialien, also den für eine Verbrennung in der Schwerelosigkeit notwendigen Sauerstoffgehalt der Luft, sowie den Einfluss verschiedener äußerer Formen der Proben auf die Brennbarkeit. Dies ermöglichte eine bessere Auswahl der beim Bau von Raumflugkörpern eingesetzten Materialien unter dem Aspekt des Brandschutzes.

Schmelzversuche

Im Mehrzweckofen, der nach zwölf Tagen mit den darin hergestellten Materialproben in der Landekapsel zur Erde zurückkehrte, wurden von verschiedenen Institutionen nacheinander acht Experimente durchgeführt. Das vom Shanghaier Institut für Keramik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und dem Forschungsinstitut für weltraumbezogene technische Physik der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie gemeinsam entwickelte Gerät war nur 22 kg schwer und hatte die Größe eines kleinen Kühlschranks; mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von 90 W konnten darin genau einstellbare Temperaturen von mehr als 900 °C erzeugt und damit zum Beispiel Halbleitermaterialien geschmolzen werden. Die einzelnen Proben wurden ferngesteuert ausgewechselt und verarbeitet.

So ließen zum Beispiel Zhang Xingwang (张兴旺, * 1972) und seine Kollegen vom Institut für Halbleiter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften große Einkristalle des ternären Halbleiters Indiumarsenidantimonid in der Schwerelosigkeit ohne Berührung mit einem Gefäß wachsen. Die Gitterfehler-Dichte lag dabei deutlich niedriger als bei einer Herstellung auf der Erde. Indiumarsenidantimonid wird bei Detektoren für langwelliges Infrarot (8–15 µm) verwendet.

Liu Yan (刘岩, * 1969) vom Shanghaier Institut für Keramik (nicht zu verwechseln mit dem 1975 geborenen Liu Yan vom gleichen Institut) züchtete zusammen mit Yūko Inatomi (稲富 裕光) vom Institut für Weltraumwissenschaft der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA hochqualitative Indiumgalliumantimonid-Kristalle. Die Komponenten der Kristalle waren sowohl in axialer als auch in radialer Richtung gleichmäßig verteilt; die diesbezügliche Schwankung war geringer als 2 %. Das Experiment war auch hilfreich für die Entwicklung von terrestrischen Produktionsmethoden für diese Kristalle, deren Bandlücke in einem großen Bereich einstellbar ist und die bei photothermischen Sensoren zum Einsatz kommen.

Zhou Yanfei (周燕飞) und seine Kollegen vom Schwerpunktlabor für Energieumwandlungsmaterialien (中国科学院能量转换材料重点实验室) am Institut für Keramik züchteten auf Bismuttellurid basierende Kristalle, wobei sie sich zu Nutze machten, dass die Schwerelosigkeit die durch Auftriebskraft verursachte Konvektion unterdrückte. Auch hier wuchsen die Kristalle sehr gleichmäßig, deutlich besser als auf der Erde. Dadurch ergab sich eine höhere Stromausbeute beim Einsatz der Kristalle in thermoelektrischen Generatoren.

Yuan Zhangfu (袁章福, * 1963) von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität Peking führte zusammen mit Kollegen von der Universität für Wissenschaft und Technik Peking Versuche mit geschmolzenem Lötzinn durch, das auf Kupferringe – sozusagen Leiterplatten – aufgetragen wurde. Es wurden Zinn-Silber-, Zinn-Bismut-Kupfer- und Zinn-Antimon-Legierungen getestet, wobei man feststellen musste, dass sich in den Legierungen eine große Anzahl feiner Poren gebildet hatten. Kleine stabförmige Kristalle bildeten sich an der Grenzschicht zum Kupfersubstrat, große stabförmige Kristalle im Inneren des Lötzinns, wo sich auch Schichten mit verschiedener Metallkonzentration gebildet hatten. Nun versucht man, aus diesen Versuchen ein Modell für die Whiskerbildung bei elektronischen Leiterplatten zu erstellen.

Seidenraupen

Seidenraupen benötigen etwa 12 Tage, um aus gelegten Eiern zu schlüpfen, was mit der Missionsdauer übereinstimmte. Daher schickten Huang Yongping (黄勇平) und seine Kollegen vom Schwerpunktlabor für Insektenzucht und Evolutionsbiologie am Institut für Pflanzenphysiologie und -ökologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften junge Embryonen des Heimischen Seidenspinners (家蚕, Bombyx mori) mit der Rückkehrkapsel ins All, um den Einfluss der Weltraumumgebung auf ihr Wachstum zu erforschen. Nach der Landung gelang es, bei den Embryonen und einigen geschlüpften Raupen Gene zu identifizieren, die während des Raumflugs verändert worden waren. Man erhofft sich, auf diese Art neue wirtschaftlich nutzbare Varianten des Insekts züchten zu können.

Pflanzenblüte

Die Forschungsgruppe für Weltraumbiologie und Zellbiologie (空间生物学与细胞生物学研究组) des Instituts für Pflanzenphysiologie und -ökologie unter der Leitung von Zheng Huiqiong (郑慧琼) hatte auf dem Rückkehrsatelliten Shijian 8 mit Pak Choi Keimung und Wachstum höherer Pflanzen untersucht. Nun schickten sie transgene Varianten von Acker-Schmalwand (eine Pflanze, die in Monaten mit langer Sonnenscheindauer blüht) und Reis (eine Pflanze, die in Monaten mit kurzer Sonnenscheindauer blüht) ins All, um den Einfluss der Photoperiode auf das Erblühen der Pflanzen zu erforschen. Auf der Erde spielen hierbei sowohl Phototropismus als auch Gravitropismus eine Rolle – die Beleuchtungssituation wird über die Blätter wahrgenommen und über Botenstoffe der Knospe mitgeteilt. Nun fanden die Wissenschaftler, dass in der Schwerelosigkeit nicht nur der Gravitropismus, sondern auch der Phototropismus reduziert ist. Die Genexpression beim durch Wärme induzierten Aufblühen zeigte auch im Weltall einen Tag-Nacht-Rhythmus, aber der Unterschied war geringer als auf der Erde. Die Wissenschaftler nehmen an, dass die Schwerelosigkeit die Expression der für die biologische Uhr zuständigen Gene behindert. Dies war eine wichtige Erkenntnis für die geplante Integration von Pflanzen in geschlossene Lebenserhaltungssysteme.

Mäuseembryonen

Duan Enkui (段恩奎, * 1956) vom Institut für Zoologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hatte bereits 2006 mit Shijian 8 vierzellige Mäuseembryonen ins All geschickt, die jedoch nicht weiter wuchsen. In den folgenden Jahren hatten er und seine Mitarbeiter in hunderten Versuchen mit zehntausenden von Embryonen den Aufbau des Experiments schrittweise verbessert. Die Embryonenkammer in der Landekapsel von Shijian 10 hatte die Größe eines Mikrowellenherds. In einer Nährlösung befanden sich 6000 zweizellige Mäuseembryonen, die sich – weltweit erstmals – innerhalb von 96 Stunden zu Blastocysten entwickelten. Dies war ein erster Schritt zur menschlichen Reproduktion bei längeren Aufenthalten im Weltall.