Wer hilft uns bei Experimenten im Weltraum? Entschlüsselung der wissenschaftlichen Handschuhbox

Der erfolgreiche Start des Wentian-Labormoduls und sein erfolgreiches Andocken an das Tianhe-Kernmodul haben der Raumstation Tiangong zahlreiche wissenschaftliche Experimentierkabinen zur Durchführung von Weltraumexperimenten gebracht und so die Probleme groß angelegter, langfristiger bemannter Weltraumanwendungen gelöst. Diese Experimentierschränke sind mit einer wissenschaftlichen Handschuhbox ausgestattet, die sichtbar, messbar, steuerbar, hochpräzise und austauschbar ist.

Schematische Darstellung einer wissenschaftlichen Handschuhbox

Wofür wird dieses Handschuhfach verwendet? Wie hilft es der Weltraumforschung? Bitte lassen Sie es von den zuständigen Experten der Task Force allen erklären.

Nicht alle Handschuhe sind zum Fliegen geeignet

Der Name Handschuhfach klingt zunächst etwas merkwürdig. Ein großer Kleiderschrank dient zur Aufbewahrung von Kleidung, ein Handschuhfach jedoch zur Aufbewahrung von Handschuhen? Was machen Astronauten mit all den Handschuhen in der Raumstation?

Jeder Experimentierschrank in der Wentian-Laborkabine ist mit verschiedenen Experimentiermodulen ausgestattet, die raffiniert entworfen und hergestellt wurden. Wenn Sie es während des Experiments direkt mit Ihren Händen berühren, kann dies nicht nur die Versuchsinstrumente verunreinigen, sondern auch zu Veränderungen der Versuchsparameter führen und den wissenschaftlichen Charakter des Experiments untergraben.

Deshalb muss das Experimentalmodul in der Raumstation von der Luft isoliert werden. Das Gerät, das zum Isolieren des Versuchsmoduls verwendet wird, ist eine sogenannte Handschuhbox. Am Handschuhfach befinden sich vier Spezialhandschuhe, mit denen Astronauten Operationen im Handschuhfach durchführen können. Durch die Sichtfenster und die Erkennungsausrüstung an der Box können die Astronauten die Statusänderungen in der Box erkennen und so Daten für das Experiment bereitstellen.

Zwar befinden sich im Handschuhfach Handschuhe, es handelt sich dabei jedoch nicht um die gewöhnlichen Handschuhe, mit denen wir normalerweise in Berührung kommen. Was ist das Besondere an diesen himmlischen Handschuhen?

Zunächst einmal werden für alle in der Luft- und Raumfahrt verwendeten Materialien sehr hohe Anforderungen an die Flammhemmung gestellt. Daher müssen die Materialien, aus denen Handschuhe hergestellt werden, auch sehr schwer entflammbar sein. Die Handschuhe, die wir im Alltag sehen, sind sehr leicht zu verbrennen, egal ob sie aus Baumwolle, Leinen oder Chemiefasern bestehen. Diese Regel schließt die meisten Kandidatenhandschuhe aus. Darüber hinaus dürfen Astronauten unter normalen wissenschaftlichen Versuchsbedingungen nicht direkt mit ihren Händen agieren, was ein ausgeprägtes Tastgefühl der Handschuhe erfordert. Auch die betriebliche Flexibilität muss berücksichtigt werden, so dass nicht brennbare Metallwerkstoffe grundsätzlich nicht infrage kommen. Schließlich müssen sowohl metallische als auch nichtmetallische Materialien eine starke Fähigkeit besitzen, Schimmelbildung zu hemmen, da sonst die Handschuhbox verunreinigt wird und das Experiment fehlschlägt. Daher erfordert die Entwicklung eines Handschuhmaterials, das die drei oben genannten Bedingungen vollständig erfüllt, viel Aufwand und Zeit.

Schematische Darstellung einer wissenschaftlichen Handschuhbox

Darüber hinaus ist das Handschuhfach mit einer speziellen Schnellwechselfunktion für Handschuhe ausgestattet, die es den Astronauten ermöglicht, beim Wechseln der Handschuhe die Innen- und Außenseite des Handschuhfachs zu isolieren und so eine Kontamination in beide Richtungen zu verhindern.

Der Roboterarm im Handschuhfach: Gute Nachrichten für Menschen mit zitternden Händen

Die Handschuhbox ist außerdem mit einem geschickten Roboterarm ausgestattet, der hochpräzise wissenschaftliche Operationen im Orbit durchführen kann. Es handelt sich um eine weltraumüberquerende wissenschaftliche Experimentierplattform für unsere Weltraumbiologie, Biowissenschaften und Luft- und Raumfahrtmedizin und kann einen geschlossenen und sauberen Betriebsraum für wissenschaftliche Experimente bieten. Dieser Roboterarm kann eine Arbeitsgenauigkeit von 0,5 mm erreichen , was wirklich gute Nachrichten für Menschen mit zitternden Händen sind! Mit einem solchen Roboterarm können Astronauten experimentelle Operationen präziser durchführen.

Schematische Darstellung des Roboterarms in der Handschuhbox

Das Bild oben zeigt nicht die vollständige Form des Roboterarms. Die Handschuhbox ist außerdem mit einem Mikromanipulationssystem ausgestattet, mit dem sehr heikle Vorgänge wie die Extraktion und Injektion von Zellkernen durchgeführt werden können. Das System kann eine Betriebsgenauigkeit von 5 Mikrometern erreichen, was einem Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares entspricht.

Der Roboterarm ist eine Verlängerung des Arms des Astronauten . Es ersetzt die Hände des Astronauten bei der Durchführung experimenteller Vorgänge und stellt gleichzeitig sicher, dass der Astronaut die experimentelle Ausrüstung nicht berührt. Es kann die Stapelverarbeitung innerhalb der Box durchführen, wie etwa das Entnehmen und Platzieren von Kulturschalen; Durchführung zellbezogener Forschung im Orbit, wie etwa Mikroinjektion; und emittieren ultraviolettes Licht, um die Handschuhbox für eine gründliche und vollautomatische Reinigung zu sterilisieren.

"Hände" können den Himmel erreichen, und "Augen" müssen auch den Himmel erreichen

Darüber hinaus sind am Handschuhfach zahlreiche Sensoren angebracht, die in Echtzeit Spannungssignale, Stromsignale sowie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Licht, Windgeschwindigkeit und andere Informationen in verschiedenen Teilen des Handschuhfachs aufzeichnen und so den Betriebszustand des Handschuhfachs oder Versuchsgeräts widerspiegeln.

Sensorschema

Die Interpretation dieser Informationen übersteigt möglicherweise die Fachkenntnisse der Astronauten und nimmt ihre Arbeitszeit in Anspruch. Daher können alle Sensorinformationen der Handschuhbox in Echtzeit an das Bodenlabor übertragen werden und die Wissenschaftler am Boden sind für die Interpretation und Anpassung dieser Informationen verantwortlich. Außerdem können vom Boden aus Anweisungen erteilt werden, um die Parameter der Handschuhbox direkt zu steuern.

Mit anderen Worten: Neben den Astronauten können auch die Wissenschaftler am Boden das Handschuhfach in Echtzeit „sehen“ und seinen Betriebszustand anhand verschiedener Sensorsignale nachvollziehen. Sie können in der Raumstation wissenschaftliche Experimente durchführen, ohne ihr Zuhause zu verlassen. Durch die vielfältigen Einstellmöglichkeiten der Handschuhbox können zudem die unterschiedlichen Parameter, die für wissenschaftliche Experimente benötigt werden, optimal erfüllt werden. Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Licht usw. können alle fein eingestellt werden, was die Handschuhbox zu einer wirklich offenen und freien Plattform für wissenschaftliche Experimente macht.

Vielen Dank für Ihre harte Arbeit!

Die wissenschaftliche Handschuhbox ist die „Hände“ und „Augen“ von Astronauten und Wissenschaftlern. Sie hilft ihnen, wissenschaftliche Experimente durchzuführen, Versuchsmodule vor Verunreinigungen zu schützen und heikle Operationen mit extrem hoher Präzision durchzuführen. Um die Konstruktion und Produktion des Handschuhfachs abzuschließen, begann das verantwortliche Team des Shenyang Institute of Automation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften im Jahr 2015 mit einer langen und mühsamen Forschungs- und Entwicklungsarbeit. Überstunden an Feiertagen sind für das Team zur Norm geworden und manchmal arbeiteten sie mehr als 50 Stunden am Stück. Doch niemand ließ sich von den Schwierigkeiten abbringen, denn alle dachten: „So viele Menschen haben so viel Leid dafür bezahlt, wir können es nicht in unseren Händen scheitern lassen!“

Bilder von Luft- und Raumfahrtforschern bei der Arbeit

Vielleicht ist dies der einfachste Inbegriff des Geistes der Luft- und Raumfahrt! Zum Abschluss dieser Serie möchten wir, während wir die rasante Entwicklung von Wissenschaft und Technologie in unserem Land bewundern, auch den Wissenschaftlern, die still an vorderster Front kämpfen und dem Land in der Luft- und Raumfahrt dienen, unsere höchste Anerkennung aussprechen.

Dieser Artikel wurde von Mou Fupeng basierend auf einem Interview mit Professor Liu Xiaoyuan vom Shenyang Institute of Automation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften verfasst.

Der Artikel wurde zuerst in Science Academy veröffentlicht