Richtlinien zur Verwendung der Random Positioning Machine als Analog für reduzierte Schwerkraft

Warum die Erdanziehungskraft nicht immer ausreicht

Während die Menschheit den Mond, den Mars und lange Reisen in den Tiefenraum ins Visier nimmt, benötigen Wissenschaftler dringend Methoden, um zu untersuchen, wie sich Leben und Materialien bei schwächerer Schwerkraft als auf der Erde verhalten. Reale Weltraummissionen sind selten, teuer und in Raum und Leistung begrenzt. Dieser Beitrag erklärt, wie ein schrankgroßes Gerät namens Random Positioning Machine (RPM) sicher Bedingungen mit niedriger oder teilweiser Schwerkraft in einem gewöhnlichen Labor nachahmen kann — und ebenso wichtig, wo seine Grenzen liegen und wie man es korrekt einsetzt.

Ein rotierender Stellvertreter für den Weltraum

Die RPM nutzt eine einfache Idee: Wenn man die Richtung der Schwerkraft in Bezug auf eine Probe ständig ändert, dann „fühlt“ die Probe über die Zeit im Mittel deutlich weniger Schwerkraft. Das Gerät hält die Probe im Zentrum von zwei motorisierten Rahmen, die sich um verschiedene Achsen in einem scheinbar zufälligen Muster drehen. Diese Studie entwickelt ein detailliertes Bewegungsmodell der Probenbahn und kombiniert es mit Messungen von Sensoren und Bewegungserfassungskameras. Durch den Vergleich von Theorie und Experiment zeigen die Autoren, dass die RPM unter den richtigen Bedingungen tatsächlich als Stellvertreter für Mikrogravitation am Boden dienen kann.

Das optimale Zusammenspiel von Drehzahl und Größe finden

Das Team untersucht daraufhin, welche Einstellungen am wichtigsten sind. Sie kartieren, wie sich die mittlere Anziehungskraft auf eine Probe verändert, wenn sich innerer und äußerer Rahmen schneller oder langsamer drehen. Eine Überraschung ist, dass schnelleres Drehen nicht immer die Illusion der Schwerelosigkeit verbessert. Hohe Geschwindigkeiten fügen zusätzliche Kräfte hinzu, die die effektive Schwerkraft erhöhen. Die besten Ergebnisse erzielt man, wenn sich der äußere Rahmen mindestens etwa 30 Grad pro Sekunde dreht und der innere Rahmen mindestens etwa 20 Grad pro Sekunde langsamer. Außerdem zeigen sie, dass Experimente mindestens 25 Minuten laufen müssen, bevor die Schwerkraft genug geglättet ist, um unter ein Hundertstel der Erdgravitation zu fallen, wodurch die RPM besser für langsame Prozesse wie Zellwachstum geeignet ist als für Sekundenbruchteile wie bei Verbrennungsprozessen.

Wie groß kann ein Experiment sein?

Eine weitere praktische Frage ist, wie groß eine Probe oder Apparatur sein kann, bevor die Ränder keine guten Niedriggravitätsbedingungen mehr erfahren. Abseits des exakten Zentrums erzeugt die Rotation zusätzliche Beschleunigungen, die mit Distanz und Drehgeschwindigkeit zunehmen. Mithilfe ihres Modells berechnen die Autoren sichere Abstände vom Zentrum für verschiedene Einstellungen. Bei moderaten Geschwindigkeiten können Proben 10–15 Zentimeter vom Zentrum entfernt reichen und noch Mikrogravitation annähern. Bei höheren Geschwindigkeiten über etwa 50 Grad pro Sekunde sollten Proben jedoch innerhalb von ungefähr 10 Zentimetern bleiben, um nicht in höhere, weniger realistische Schwerkraftbereiche abzudriften. Diese Richtlinien helfen Experimentatoren, Kammern, Kulturflaschen und Hardware zu entwerfen, die tatsächlich die beabsichtigte Umgebung erfahren.

Von Schwerelosigkeit bis Mond- und Marsgravitation

Anstatt diese Zusatzkräfte als Störung zu betrachten, zeigen die Autoren auch, wie man sie nutzen kann. Durch sorgfältige Wahl der Drehzahlen und der Position der Proben vom Zentrum aus kann eine einzelne RPM Bereiche beherbergen, die gleichzeitig Mikrogravitation, Mond-ähnliche Gravitation, Mars-ähnliche Gravitation und sogar stärker als die Erdgravitation erleben. Das eröffnet die Möglichkeit zu „Gravitations-Dosis-Wirkungs“-Studien, in denen Zellen, Gewebe oder Materialien nebeneinander über ein ganzes Spektrum von Gravitätsstufen getestet werden, ohne jemals das Labor zu verlassen.

Ein verborgenes Problem in der Rotation beheben

Die Studie deckt ein subtileres Problem bei Standard-RPMs mit zwei Rahmen auf, das als „Pol-Bias" bezeichnet wird. Aufgrund der Art, wie sich der äußere Rahmen dreht, richtet sich die Richtung der Schwerkraft pro Umdrehung zweimal in derselben vertikalen Orientierung zur Probe aus — öfter als in anderen Richtungen. Bei langen Läufen verbringt die Probe daher zu viel Zeit nahe zwei gegenüberliegenden „Polen“ der Orientierung, wodurch die Illusion abgeschwächt wird, dass die Schwerkraft gleichmäßig aus allen Richtungen kommt. Die Autoren schlagen ein neues Design mit drei rotierenden Rahmen vor. Ihre Simulationen zeigen, dass diese Konfiguration nicht nur die mittlere Schwerkraft sehr niedrig hält, sondern auch die Schwerkraftrichtungen gleichmäßig über alle Winkel verteilt und so den Pol-Bias reduziert, ohne komplexe Steuerungssoftware zu benötigen.

Was das für die künftige Raumfahrtforschung bedeutet

Einfach ausgedrückt verwandelt dieser Beitrag die RPM von einem cleveren Gerät in ein gut kalibriertes wissenschaftliches Instrument. Indem er klar darlegt, wie schnell sie gedreht werden sollte, wie groß Proben sein dürfen, wie lange Experimente dauern sollten und wie man versteckte Orientierungsverzerrungen vermeidet, liefert der Autorenschaft eine klare Anleitung für besser planbare bodengebundene Studien. Mit diesen Richtlinien — und mit verbesserten Drei-Rahmen-Designs — können Wissenschaftler mit größerer Zuversicht untersuchen, wie lebende Systeme und Materialien nicht nur auf Nullgravitation, sondern auf das gesamte Spektrum von Mikrogravitation über Mond- und Marsniveaus bis darüber hinaus reagieren, und so besser für sicherere und effektivere Raumfahrtmissionen vorbereiten.

Zitation: Wadhwa, A., Bruun, L., Petersen, J.C. et al. Guidelines for use of the random positioning machine as a reduced-gravity analog. Sci Rep 16, 10012 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39316-7

Schlüsselwörter: Simulation der Mikrogravitation, Random Positioning Machine, teilweise Schwerkraft, Weltraumbiologie, Bodenbasierte Raumfahrt-Analoga