Überblick
Das Physical Science Research Program der NASA hat in zwei verschiedenen Bereichen Beiträge geleistet: erstens in der Grundlagenforschung, die physikalische Phänomene ohne Schwerkraft und fundamentale Gesetze des Universums untersucht, und zweitens in der angewandten Forschung, die zum grundlegenden Verständnis der Technologien für die Weltraumforschung beiträgt. Bei der Durchführung dieser Untersuchungen liefern die physikalischen Wissenschaften grundlegende wissenschaftliche Erkenntnisse, Ergebnisse, die der Gesellschaft zugute kommen, und Beiträge zum grundlegenden Verständnis der Technologien für die Weltraumforschung, wie z. B. Energieerzeugung und -speicherung, Raumfahrtantriebe, Lebenserhaltungssysteme sowie Umweltüberwachung und -kontrolle. Sie alle haben zu verbesserten Weltraumsystemen oder neuen Produkten auf der Erde geführt.
Zu unseren Kernzielen gehören:
- Untersuchung grundlegender physikalischer Gesetze, oft unter Nutzung der Mikrogravitation oder interplanetarer Entfernungen als Forschungsinstrumente
- Vermittlung eines mechanistischen Verständnisses der Prozesse, die den Technologien zur Erforschung des Weltraums zugrunde liegen, wie z. B. Energieerzeugung und -speicherung, Raumfahrtantriebe, Lebenserhaltungssysteme, und Umweltüberwachung und -kontrolle
- Unterstützung des Transfers von Wissen und Technologie der weltraumgestützten Forschung auf terrestrische Systeme zum Nutzen des Lebens auf der Erde
- Entwicklung von Spitzentechnologien zur Erleichterung der Weltraumforschung
- Förderung der offenen Wissenschaft durch gemeinsame Nutzung von Daten
Die Internationale Raumstation bietet die äußerst wünschenswerten Bedingungen der lang andauernden Mikrogravitation, die eine kontinuierliche und interaktive Forschung ähnlich wie in erdgebundenen Labors ermöglichen und bei Bedarf sogar statistische Validität bieten. Das Programm hat auch von der Forschungszusammenarbeit mit den Partnern der Internationalen Raumstation (Russland, Europa, Japan, Kanada) und einzelnen ausländischen Regierungen mit Raumfahrtprogrammen wie Frankreich, Deutschland und Italien profitiert.
Die physikalische Forschung der NASA ist in sechs Disziplinen unterteilt: Biophysik, Verbrennungswissenschaft, komplexe Flüssigkeiten, Fluidphysik, Grundlagenphysik und Materialwissenschaft. Die Experimente in diesen Disziplinen werden in einer nahezu schwerelosen Umgebung durchgeführt und zeigen, wie physikalische Systeme auf die nahezu fehlende auftriebsbedingte Konvektion, Sedimentation oder Absenkung reagieren. Sie zeigen auch, wie andere Kräfte, z. B. Kapillarkräfte, die im Vergleich zur Schwerkraft gering sind, das Systemverhalten im Weltraum dominieren können. Die aus diesen Untersuchungen gewonnenen Daten werden im Physical Sciences Informatics System (PSI) der NASA gespeichert und stehen der Öffentlichkeit zur Verfügung.
Wenn Sie ein Forscher sind und mehr über das Physical Sciences Programm der NASA erfahren möchten, wenden Sie sich bitte an Dr. Brad Carpenter für die Grundlagenphysik und an Dr. Fran Chiaramonte für alle anderen Disziplinen und das PSI.
Die folgenden Informationen sind eine Zusammenfassung der sechs Disziplinen und der PSI Datenbank.
Physical Sciences Informatics System (Datenbank)
Biophysics | Combustion Science | Complex Fluids | Fluid Physics | Fundamental Physics | Materials Science
In Erfüllung des neuen Open-Science-Modells freuen wir uns, den Datenspeicher Physical Science Informatics (PSI) für physikalische Experimente, die auf der Internationalen Raumstation (ISS) durchgeführt wurden, anzukündigen. Das PSI-System ist für die Öffentlichkeit zugänglich und offen. Es bietet den Forschern die Möglichkeit, die Ergebnisse früherer Fluguntersuchungen zu analysieren und die durchgeführten Forschungsarbeiten zu erweitern. Auf diese Weise können zahlreiche bodengestützte Untersuchungen auf der Grundlage der Daten eines einzigen Flugexperiments durchgeführt werden, wodurch sich unser Wissensschatz exponentiell vergrößert. Das PSI entspricht auch der Open-Data-Politik des Präsidenten. Die Website ist zu finden unter http://psi.nasa.gov.
Biophysik
Biologische Makromoleküle | Biomaterialien | Biologische Physik | Flüssigkeiten der Biologie
Im Labor der Internationalen Raumstation züchtet die NASA perfektere biologische Makromolekülkristalle und analysiert sie mit einer als Beugung bekannten Methode. Bei der Beugung werden Lichtstrahlen oder Partikel auf die Kristalle gerichtet und dann die Streuungsmuster untersucht, um die Struktur der Moleküle, aus denen sie bestehen, zu bestimmen. Da es im Weltraum keine auftriebsbedingten Flüssigkeitsströmungen und Sedimentation gibt, wachsen die Kristalle in der Regel langsamer als auf dem Erdboden, was die Inkorporationsdefekte verringert, so dass die Forscher bessere Beugungsdaten erhalten können.
Combustion Science
Feuersicherheit im Weltraum | Tröpfchen | Gasförmig – vorgemischt und nicht vorgemischt | Feste Brennstoffe | Überkritische Reaktionsflüssigkeiten
In den Vereinigten Staaten tragen Verbrennungsprozesse zu etwa 85 % der gelieferten Energie bei und sind ein wesentlicher Bestandteil vieler industrieller Fertigungsprozesse. Bei der Verbrennung entstehen Treibhausgase und Ruß, die zur globalen Erwärmung beitragen und erhebliche gesundheitliche Probleme verursachen. Das Combustion Science Program führt idealisierte Experimente auf der Internationalen Raumstation durch, wo die Forscher durch den Wegfall der Schwerkraft Details der Verbrennungsprozesse untersuchen können, die auf dem Boden nicht ohne weiteres untersucht werden können. Die Umgebung der Raumstation ist auch ein wichtiges Testfeld für die Untersuchung des Brandrisikos von Raumfahrzeugen.
Erfahren Sie mehr über die Verbrennungsforschung am Glenn Research Center
Fluidphysik
Adiabatische Zweiphasenströmung | Sieden und Kondensation | Kapillarströmung und Grenzflächenphänomene | Kryolagerung und -handhabung
Ein Fluid ist jedes Material, das unter Einwirkung einer Kraft fließt, daher sind Flüssigkeiten und Gase Fluide. Ihre Bewegung ist für den größten Teil des Transports und der Vermischung in natürlichen und künstlichen Prozessen und in allen lebenden Organismen verantwortlich. Die Fluidphysik befasst sich mit der Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen und dem damit verbundenen Transport von Masse, Impuls und Energie. Die Notwendigkeit, das Verhalten von Flüssigkeiten besser zu verstehen, hat eine multidisziplinäre Forschungsgemeinschaft hervorgebracht, deren anhaltende Vitalität durch das kontinuierliche Entstehen neuer Bereiche in der Grundlagen- und angewandten Wissenschaft gekennzeichnet ist. Die Internationale Raumstation bietet mit ihrer niedrigen Schwerkraft einen einzigartigen Ort für die Untersuchung von Strömungsphysik und Transportphänomenen. Die nahezu schwerelosen Bedingungen ermöglichen es den Forschern, Flüssigkeitsphänomene auf eine Weise zu beobachten und zu kontrollieren, die auf der Erde nicht möglich ist. Zu den Forschungsgebieten gehören adiabatische Zweiphasenströmungen, Strömungssieden und Kondensation, Kapillarströmungen und Grenzflächenphänomene sowie Strömungen in Verbindung mit kryogenen Systemen.
Erfahren Sie mehr über die Forschung im Bereich der Flüssigkeitsphysik am Glenn Research Center
Komplexe Flüssigkeiten
Kolloide | Flüssigkristalle | Schäume | Gele | Granulare Strömungen
Das Microgravity Complex Fluids Research Program untersucht binäre Mischungen, die aus Flüssig-Fest-, Flüssig-Flüssig- oder Modell-Flüssig-Gas-Phasen bestehen. Zu den Forschungsbereichen gehören kolloidale Systeme, Flüssigkristalle, Schäume, Gele, Emulsionen und körnige Strömungen. Dieses Programm umfasst Themen der weichen kondensierten Materie, die eine Vielzahl von physikalischen Zuständen umfassen, die durch thermische Spannungen oder thermische Fluktuationen leicht verformt werden können. In der Mikrogravitation werden Sedimentations- und Konvektionsmaskierungseffekte aufgehoben, so dass die Wechselwirkung zwischen der dispergierten Phase und dem Dispersionsmedium auf einer Zeitskala beobachtet werden kann, die auf der Erde nicht verfügbar ist.
Erfahren Sie mehr über die Strömungsphysik-Forschung am Glenn Research Center
Grundlagenphysik
Optische/Atomuhr im Weltraum | Quantenprüfung des Äquivalenzprinzips | Physik der kalten Atome | Kritische-Punkt-Phänomene | Staubige Plasmen
Das Programm für Grundlagenphysik führt sorgfältig konzipierte Forschungen im Weltraum durch, die unser Verständnis der physikalischen Gesetze und der Ordnungsprinzipien der Natur fördern und zeigen, wie diese Gesetze und Prinzipien von Wissenschaftlern und Technologien zum Nutzen der Menschheit auf der Erde und im Weltraum manipuliert werden können. Die NASA entwickelt ein kaltes Atomlabor von Weltklasse für die Internationale Raumstation, das es Wissenschaftlern ermöglichen wird, das Verhalten von Atomen innerhalb von etwa zehn Billionstel Grad des absoluten Nullpunkts zu untersuchen. Die NASA arbeitet auch eng mit europäischen Wissenschaftlern und der Europäischen Weltraumorganisation bei Studien über ein Atomuhren-Ensemble im Weltraum, bei der Erforschung kritischer Phänomene an Bord der DECLIC-ALI-Anlage der CNES und bei künftigen Experimenten zusammen, die auf so weitreichende Bereiche wie die Untersuchung komplexer Plasmen im Weltraum und die Quantenprüfung des Äquivalenzprinzips abzielen.
Erfahren Sie mehr über die physikalische Grundlagenforschung am Jet Propulsion Laboratory
Werkstoffkunde
Metalle | Halbleiter | Polymere und organische Werkstoffe | Gläser und Keramik | körnige Werkstoffe
Das Microgravity Materials Science Program führt auf der Internationalen Raumstation Experimente durch, die unser Verständnis von Materialverarbeitung und -eigenschaften verbessern sollen. Dieses wissenschaftliche Verständnis wird dann auf industrielle Prozesse auf der Erde angewandt, um bessere und/oder kostengünstigere Materialien zu erhalten. Die Raumstation bietet eine vereinfachte Umgebung für die Untersuchung von Materialien, da die Beobachtungen kaum durch Sedimentation und auftriebsbedingte Konvektion beeinträchtigt werden. Dies hilft den Wissenschaftlern, die Rolle der verschiedenen Effekte auf Materialprozesse zu klären. Viele der materialwissenschaftlichen Experimente werden nach dem Open-Science-Konzept durchgeführt, das als Materials Lab bekannt ist. Dieser Ansatz wird im folgenden Abschnitt über das PSI beschrieben.
Erfahren Sie mehr über die Materialforschung am Marshall Space Flight Center
Erfahren Sie mehr über das Materials Science Research Rack-1 auf der Internationalen Raumstation
Erfahren Sie mehr über die Microgravity Science Glovebox auf der Internationalen Raumstation