„Antriebstechnik aus dem Achterbahnbau“

An der Universität in Hannover ging kürzlich ein neuartiger Fallturm in Betrieb. Mit dem „Einstein-Elevator“ lassen sich Experimente in der Schwerelosigkeit durchführen – zumindest für einige Sekunden. Das Besondere an der Anlage: Die Schwerelosigkeit wird nicht wie üblich durch den freien Fall in einer großen Vakuumröhre erreicht, sondern durch eine präzise Antriebssteuerung. Wie das funktioniert, erklärt Christoph Lotz vom Hannover Institute of Technology – verantwortlich für die Entwicklung des Fallturms – im Interview.

Wie funktionieren üblicherweise Falltürme und was haben Sie verändert?

Christoph Lotz

Christoph Lotz: Um möglichst perfekte Schwerelosigkeit zu erzeugen, darf keine Reibung auftreten – also auch keine Luftreibung. Üblicherweise muss deshalb der gesamte Fallturm mit Vakuumpumpen evakuiert werden – bis ein ausreichendes Vakuum herrscht. Dann lässt man eine Kapsel fallen. Nach ein paar Sekunden landet diese dann unten in einem großen Behälter mit Styroporkugeln. Um die Kapsel zu bergen, muss erst wieder Luft in den Turm gelassen werden. Dieser ganze Prozess dauert sehr lange, sodass sich pro Tag typischerweise nur zwei bis drei Versuche durchführen lassen. Unser Fallturm funktioniert anders: Wir beschleunigen die Experimentkapsel und die umgebende Gondel mit starken Elektromotoren nach oben und führen die Gondel dann so, dass im Inneren Schwerelosigkeit herrscht.

Wie kann man sich das vorstellen?

Es ist mit einem Parabelflug vergleichbar und zwar einem vertikalen Parabelflug. Das Experiment fliegt bei uns senkrecht nach oben und kehrt auf gleichem Weg wieder zurück. Interessanterweise kommt die von uns verwendete Antriebstechnik aus dem Achterbahnbau. Diese ist sehr leistungsfähig und kann selbst ein tonnenschweres Objekt wie unsere Gondel mit dem Experiment auf wenigen Metern stark beschleunigen.

Wie schnell kann die Gondel mit dieser Antriebstechnik beschleunigt werden?

Unsere Kapsel ist rund zwei Meter hoch bei einem Durchmesser von 1,7 Metern, wiegt gemeinsam mit dem Antrieb knapp 1,7 Tonnen und kann nochmals eine Tonne Nutzlast tragen. Dank des 4,8 Megawatt starken Antriebs können wir sie auf den unteren fünf Metern auf 20 Meter pro Sekunde beschleunigen. Den Rest des 20 Meter freien „Flugs“ müssen wir dann nur noch mit geringer Leistung die Geschwindigkeit regeln – und ganz unten die Kapsel natürlich wieder herunterbremsen.

Und Sie benötigen keine Vakuumpumpen?

Im gesamten Turm herrscht ganz normaler Luftdruck. Die Kunst besteht darin, mithilfe der Antriebe die Luftreibung und die Reibung an den Führungsschienen möglichst präzise auszugleichen. Wir können die Anlage so genau steuern, dass wir ein Experiment in der Gondel über die gesamte Freiflugdauer von etwa vier Sekunden rund fünf Zentimeter über dem Gondelboden in der Schwebe halten können. Wir haben aber Vakuumpumpen, um die Gondel zu evakuieren. Bei besonders empfindlichen Experimenten können sich nämlich die Schwingungen der Gondelwand über Schallwellen in der Luft auf das Experiment übertragen und es dadurch stören. Die Gondel lässt sich aber im Gegensatz zum ganzen Turm sehr schnell evakuieren.

Wie viele Versuche lassen sich am Tag durchführen?

Im Prinzip können wir alle vier Minuten einen neuen Versuch starten, sodass bis zu 300 freie „Flüge“ pro Tag möglich sind. Da die Gondel aber für neue Experimente umgerüstet werden muss, werden das in der Praxis im Schnitt sicherlich deutlich weniger sein. Aber gerade für physikalische Versuche – bei denen eine gewisse Statistik erreicht werden muss – bietet unser System große Vorzüge, weil man die Experimente jetzt schnell mehrfach wiederholen kann. Das ist insbesondere für quantenphysikalische Versuchsreihen wichtig.