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Supelco® Produkte im Weltraum

Mit Voyager 1 über die Grenzen unseres Sonnensystems hinaus

Seit mehr als 40 Jahren unterstützt die erste Generation des Kohlenstoffmolekularsiebs Carbosieve die Sammlung wissenschaftlicher Daten an Bord der Voyager-Sonden. Der erste „Astronaut“ des Supelco® Portfolios hat den Grundstein für viele weitere Entwicklungen und Innovationen im Unternehmen gelegt.

Eine der Voyager-Raumsonden

Eine der Voyager-Raumsonden - (Quelle: NASA)

Als die Sensoren von Voyager 1 einen Alarm ausgaben, war die Aufregung im Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Kalifornien, ganz deutlich zu spüren: Die Raumsonde hatte seit Jahren kein unerwartetes Signal mehr gesendet. Dann, am 25. August 2012, sank die Zahl der gemessenen Sonnenwindteilchen plötzlich um den Faktor 1.000, während die Konzentration interstellarer Partikel aus der kosmischen Strahlung um fast zehn Prozent anstieg. Voyager 1 hatte offensichtlich gerade die äußere Grenze unseres Sonnensystems, auch Heliopause genannt, passiert.

Kein anderes von Menschen geschaffenes Objekt hatte sich jemals weiter von der Erde entfernt. Ein historischer Moment. Aber nicht nur für die NASA. Die Raumsonde führt auch ein Produkt mit sich, das vom Supelco® Team in Bellefonte, Pennsylvania, entwickelt wurde. „Wir sind sehr stolz darauf, dass unser Carbosieve immer noch einwandfrei funktioniert“, sagt William „Bill“ R. Betz, Leiter der Particle Design-Gruppe des Wissenschafts- und Technologieunternehmens Merck.

Das Kohlenstoffmolekularsieb arbeitet seit mehr als 40 Jahren.

Mikroskopische Aufnahme Carbosieve Voyager

Mikroskopische Aufnahme Carbosieve Voyager

Entwickelt in den frühen 1970er Jahren, spielt das spezielle Kohlenstoffmolekularsieb auch heute noch, mehr als 40 Jahre nach dem Start von Voyager 1, eine entscheidende Rolle bei der Bereitstellung wissenschaftlicher Daten, die dazu beitragen, unseren Blick auf das Sonnensystem zu erweitern und unsere angeborene menschliche Neugier in Bezug auf die Natur des Universums zu stillen. Die erste Generation der Carbosieve-Serie ebnete auch den Weg für eine Vielzahl Innovationen im Bereich der kohlenstoffbasierten Adsorbentien im Supelco® Portfolio.

Heute werden die Hightech-Materialien aus der ursprünglichen Carbosieve-Serie als Sammelmedien in Luftdurchflussmessern oder zur Verbesserung der Effizienz von Packungen in Festphasenextraktionsgeräten, Purge-and-Trap-Systemen und Gaschromatographiesäulen eingesetzt. Die Nachfahren des ursprünglichen Voyager-Passagiers reinigen nun auch Gase oder Flüssigkeiten und separieren synthetisierte Verbindungen aus Reaktionsgemischen.

Das ursprüngliche Carbosieve hat ähnliche Aufgaben übernommen. Im Vergleich zum heutigen Stand der Technik waren sie jedoch weniger selektiv, hatten eine schlechtere Kinetik und ließen oft nur die Anhaftung relativ großer Moleküle wie Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlendioxid an ihren Oberflächen zu.

Die Suche nach einem Adsorptionsmittel für extrem kleine Moleküle

Für Voyager 1 und ihre Schwestersonde Voyager 2 suchte die NASA ein Adsorptionsmittel, das möglichst effizient in Bezug auf besonders kleine Moleküle arbeitet. Die Wissenschaftler interessierten sich vor allem für Wasserstoff und seine Isotope Deuterium und Tritium sowie Helium und das Lithium-7-Isotop: Elemente, die im Moment des Urknalls entstanden. Voyager sollte unter anderem die Wasserstoffisotopenverhältnisse messen, um die 1966 vorangetriebene Urknalltheorie zu testen.

Den Forschern war klar, dass die winzigen kohlenstoffbeschichteten Polymerkügelchen, die bei früheren Weltraummissionen für diese und ähnliche Messungen verwendet wurden, nicht ausreichend waren. Da sich das Supelco® Portfolio zu diesem Zeitpunkt bereits einen Namen in der Entwicklung von Adsorptionsmaterialien gemacht hatte, rief die NASA Bellefonte an. Die NASA wollte wissen, ob es Adsorbentien gibt, die mit solchen Molekülen funktionieren, und immer noch stabil genug sind, den starken Vibrationskräften standzuhalten, die beim Start einer Titan Centaur-Rakete entstehen.

Als plötzlich die NASA anrief ...

Die Leute erzählen immer noch Geschichten über diesen Anruf und die erstaunten Gesichter ihrer Kollegen in der Konzernzentrale, sagt Betz. Und natürlich hat das Supelco® Team geliefert. Das damalige Carbosieve-Design hatte eine winzige durchschnittliche Porengröße von 0,7 Nanometern und war somit bereits in der Lage, kleine Moleküle zu adsorbieren. Darüber hinaus waren die Kohlenstoffmolekularsiebpartikel hochrein, ultrastark und zeigten keinerlei Anzeichen von Alterung: „Das Adsorptionsmittel hat enormen Druckkräften von über 1100 bar unbeschadet standgehalten“, so Betz.

Das bedeutet, dass es theoretisch auch am Grund des 11.000 Meter tiefen Marianengrabens hätte eingesetzt werden können. Das war das erste Zeichen dafür, dass die NASA mit dem Carbosieve auf dem richtigen Weg war - schließlich herrschen in der Tiefsee ähnlich lebensfeindliche Bedingungen wie im Weltraum. Die Raumfahrtbehörde kaufte fünf Gramm des Adsorptionsmittels und begann mit ihren Tests. „Es war nicht gerade eine große Transaktion“, lacht Betz. „Aber der Ritterschlag, die NASA bei der Erforschung des Weltraums zu unterstützen, war für uns ohnehin viel wertvoller.“

Wichtige Einblicke in die chemische Zusammensetzung unseres Sonnensystems

Wie wir heute wissen, haben Voyager 1 und 2 tatsächlich eine wissenschaftliche Sensation vollbracht: Sie entdeckten insgesamt 22 Monde, je drei um Jupiter und Saturn, zehn um Uranus und sechs um Neptun herum. Sie entdeckten auch weitere Ringe um Jupiter, Uranus und Neptun herum und lieferten mit Hilfe von Carbosieve als Sammelmedium in den Massenspektrometern der Raumsonden wichtige Erkenntnisse über die chemische Zusammensetzung der Planetenatmosphären. Betz erinnert sich noch an die ersten Daten über Wasserstoffisotope. „Das war wirklich spannend für uns.“

Doch viel lieber hätte der Supelco® Experte dem NASA-Team ein kundenspezifisches Kohlenstoffmolekularsieb geliefert. Denn wissenschaftliche Herausforderungen voller Tatendrang anzunehmen und so lange daran zu arbeiten, bis die Kunden zufrieden sind, war damals wie heute die Spezialität der Supelco® Particle Design-Gruppe.

Der Beginn einer langen Zusammenarbeit

So viel sei gesagt: Es war nicht das letzte Mal, dass die NASA die Nummer des Supelco® Teams gewählt hat. Die Particle Design-Gruppe hatte noch ihre Chance, sich zu beweisen. Aber das ist eine andere Geschichte: über die neue Generation von Kohlenstoffen, Carboxen genannt, auf der Cassini/Huygens-Mission und auf der Internationalen Raumstation (ISS). Währenddessen senden die beiden Voyager-Sonden fleißig weiter Daten aus dem interstellaren Raum. Es wird erwartet, dass wir noch bis 2025 Kontakt mit der etwas langsamer fliegenden Voyager 2 haben werden.

Bis auf ein oder zwei wissenschaftliche Instrumente müssen alle abgeschaltet werden, um bis dahin weiter Daten messen zu können. Dadurch wird die Lebensdauer der Atombatterien an Bord verlängert. Für ihre letzte Mission benötigen die beiden Sonden jedoch weder Funkkontakt zur Erde noch eine volle Batterie. Jede von ihnen verfügt über eine vergoldete Kupferplatte in einer schützenden Aluminiumhülle. Neben einer Sternenkarte unseres Sonnensystems enthält sie Grüße, Musik, Geräusche und Bilder von der Erde.

Ob Außerirdische den auf der Platte enthaltenen Song „Johnny B. Goode“ von Chuck Berry wirklich mögen oder vielleicht sogar das Carbosieve-Pulver mit auf Zehntel-Nanometer genauen Poren bestaunen, werden wir wohl nie erfahren: Es wird mehrere hunderttausend Jahre dauern, bis die Sonden einen Ort erreichen, an dem Leben existieren könnte.

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