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Supelco® Produkte in Space Mit Voyager 1 über die Grenze unseres Sonnensystems hinaus

Seit mehr als 40 Jahren hilft die erste Generation des Kohlenstoffmolekularsiebes Carbosieve an Bord der Voyager-Sonden wissenschaftliche Daten zu liefern. Der erste „Raumfahrer“ aus dem Supelco® Portfolio bildet die Grundlage für viele weitere Entwicklungen und Innovationen des Unternehmens.

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Voyager spacecraft in front of the Milky Way galaxy and a bright blue star in deep space
Voyager spacecraft in front of the Milky Way galaxy and a bright blue star in deep space
(Bild: ©dottedyeti - stock.adobe.com )

Als die Sensoren von Voyager 1 Alarm schlugen, war die Aufregung am Jet Propulsion Laboratory der NASA im kalifornischen Pasadena groß: Schon seit Jahren hatte die Raumsonde kein unerwartetes Signal mehr von sich gegeben. Dann, am 25. August 2012, sackte die Anzahl der gemessenen Sonnenwindpartikel plötzlich um den Faktor 1.000 ab, parallel dazu stieg die Konzentration interstellarer Teilchen aus der kosmischen Strahlung um fast zehn Prozent an. Offenbar hatte Voyager 1 gerade die Außengrenze unseres Sonnensystems, die sogenannte Heliopause, passiert.

Kein anderes menschengemachtes Objekt war je weiter von der Erde entfernt. Ein historischer Moment. Nicht nur für die NASA. Denn an Bord der Raumsonde befindet sich auch eine Entwicklung aus den Supelco® Laboren in Bellefonte, Pennsylvania. „Wir sind sehr stolz darauf, dass unser Carbosieve noch immer tadellos seinen Dienst erfüllt“, sagt William „Bill“ R. Betz, Leiter der Particle Design Group beim Wissenschafts- und Technologieunternehmen Merck KGaA aus Darmstadt, Deutschland.

Das Kohlenstoffmolekularsieb funktioniert seit 42 Jahren

Das Anfang der 1970er Jahre entwickelte Spezial-Kohlenstoffmolekularsieb trägt nicht nur bis heute, 42 Jahre nach dem Start von Voyager 1, entscheidend dazu bei, wissenschaftliche Daten zu liefern, die helfen, das Bild unseres Sonnensystems zu erweitern und die Neugier des Menschen auf die Beschaffenheit unseres Universums zu stillen. Die erste Generation der Carbosieve-Reihe legte auch den Grundstein für eine Vielzahl an Innovationen im Bereich der kohlenstoffbasierten Adsorptionsmittel im Supelco Portfolio.

Heute werden die Hightech-Materialien als Sammelmedien in Luftmessgeräten eingesetzt oder machen Packungen in Festphasenextraktions-Hardware, Spülfallen und Gaschromatographie-Säulen effizienter. Ebenso reinigen die Nachfahren des Voyager-Passagiers Gase oder Flüssigkeiten auf und trennen synthetisierte Verbindungen aus Reaktionsgemischen ab.

Ähnliche Aufgaben hatten bereits die Vorfahren von Carbosieve. Nur waren sie im Vergleich zum heutigen Stand der Technik weniger selektiv, wiesen schlechtere Kinetiken auf und konnten zudem oft nur größere Moleküle, wie Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlendioxid, auf ihren Oberflächen anreichern.

Die Suche nach einem Adsorptionsmittel für besonders kleine Moleküle

Für Voyager 1 und auch ihre Schwestersonde Voyager 2 suchte die NASA damals aber nach einem Adsorptionsmittel, dass möglichst effizient für besonders kleine Moleküle funktioniert. Die Wissenschaftler hatten vor allem Wasserstoff und seine Isotope Deuterium und Tritium, sowie Helium und das Lithium-7 Isotop im Visier. Diese Elemente wurden nämlich im Moment des Urknalles gebildet. Voyager sollte unter anderem die Wasserstoffisotopenverhältnisse messen und so die 1966 aufgestellte Big Bang-Theory überprüfen.

Klar war den Forschern, dass die winzigen kohlenstoffbeschichteten Polymerkugeln, mit denen sie solche und ähnliche Messungen in vorangegangenen Weltraummissionen versucht haben, nicht ausreichend waren. Da sich das Supelco Portfolio bereits zu dieser Zeit einen Namen bei der Entwicklung von Adsorptionsmaterialien gemacht hatte, rief die NASA kurzerhand in Bellefonte an. Ob man eventuell Adsorbenzien hätte, die für solche Moleküle funktionieren, aber gleichzeitig so stabil seien, dass sie die starken Vibrationskräfte beim Abheben einer Titan-Centaur-Rakete aushielten.

Mikroskopische Aufnahme Carbosieve Voyager
Mikroskopische Aufnahme Carbosieve Voyager
(Bild: Merck )

Wenn plötzlich die NASA am Telefon ist …

Noch heute werden die Geschichten über diesen Anruf und die verblüfften Gesichter der Kollegen in der Zentrale herumerzählt, sagt Bill Betz. Aber: Das Supelco Team konnte natürlich liefern. Ihre damalige Carbosieve-Entwicklung hatte eine durchschnittliche Porengröße von winzigen 0,7 Nanometern und war damit bereits auf die Adsorption kleiner Moleküle ausgelegt. Die Kohlenstoffmolekularsieb-Partikel waren darüber hinaus hochrein, ultrafest und wiesen keine Alterungserscheinungen auf: „Das Adsorbens hielt gewaltige Druckkräfte von mehr als 1.100 bar schadlos aus“, sagt Betz.

Es hätte also theoretisch auch auf dem Grund des 11.000 Meter tiefen Marianengraben eingesetzt werden können. Ein erstes Indiz, dass die NASA mit Carbosieve auf der richtigen Fährte war – immerhin herrschen in der Tiefsee ähnlich lebensfeindliche Bedingungen wie im Weltall. Die Weltraumbehörde kaufte fünf Gramm des Adsorptionsmittels und begann ihre Tests. „Ein Geschäft war das zwar nicht gerade“, sagt Betz und lacht. „Viel mehr Wert war für uns aber sowieso der Ritterschlag, die NASA bei der Erforschung des Weltalls unterstützen zu können.“

Wichtige Erkenntnisse über die chemische Zusammensetzung unseres Sonnensystems

Voyager 1 und 2 sorgten dann, wie heute längst bekannt ist, tatsächlich für wissenschaftliche Furore: Sie entdeckten insgesamt 22 Monde, jeweils drei um Jupiter und Saturn, zehn um Uranus und sechs um Neptun, dazu weitere Ringe um Jupiter, Uranus und Neptun und lieferten mit Hilfe von Carbosieve als Sammelmedium in den Massenspektrometern der Raumsonden wichtige Erkenntnisse über die chemische Zusammensetzung der Atmosphären der Planeten. Betz erinnert sich noch an die ersten Daten zu den Wasserstoffisotopen. „Das war schon aufregend für uns.“

Noch viel lieber aber hätte der Supelco Experte den NASA-Kollegen ein maßgeschneidertes Kohlenstoffmolekularsieb geliefert. Voller Neugier wissenschaftliche Herausforderungen annehmen und so lange daran herumknobeln, bis die Kunden zufrieden sind, ist und war schließlich die Spezialität der Supelco Particle Design Group.

Beginn einer langfristigen Zusammenarbeit

So viel sei verraten: Es war nicht das letzte Mal, dass die NASA die Nummer des Supelco Teams wählte. Die Particle Design Group sollte noch ihre Chance bekommen, sich zu beweisen. Aber das ist eine andere Geschichte, die von der neuen Generation Adsorbentien genannt Carboxen während der Cassini Huygens Mission und auf der Internationalen Raumstation ISS erzählt. Derweil liefern die beiden Voyager-Sonden weiter fleißig Daten aus dem interstellaren Raum. Geschätzt bis zum Jahr 2025 wird man noch Kontakt mit der etwas langsamer fliegenden Voyager 2 haben.

Um bis dahin noch Daten messen zu können, müssen bis auf ein oder zwei wissenschaftliche Instrumente alle anderen heruntergefahren werden. So sollen die radionuklearen Batterien an Bord länger durchhalten. Für ihre letzte Mission brauchen die beiden Sonden aber weder Funkkontakt zur Erde noch eine volle Batterie. In einer Aluminiumschutzhülle führen sie jeweils eine vergoldete Kupferschallplatte mit sich. Neben einer Sternenkarte unseres Sonnensystems sind darauf Grußbotschaften, Musik, Geräusche und Bilder von der Erde gespeichert.

Ob Aliens wirklich gefallen an Chuck Berrys auf der Platte enthaltenen Song „Johnny B. Goode“ finden – oder vielleicht sogar über das Carbosieve-Pulver mit den auf Zehntel-Nanometer genauen Poren staunen wird, werden wir aber vermutlich nicht mehr erfahren: Es dauert noch mehrere hunderttausend Jahre bis die Sonden irgendwo hinkommen, wo Leben sein könnte.

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