Blasenfrei zapfen im Weltraum
Experimente an Bord der ISS untersuchen Strömungsverhalten von Flüssigkeiten unter Schwerelosigkeit
Blasenfrei Treibstoff zapfen: Das ist kein Problem an der Tankstelle um die Ecke - sehr wohl aber im Weltraum in der Schwerelosigkeit. In einem gemeinsamen Projekt haben NASA und DLR an Bord der ISS das Strömungsverhalten von Flüssigkeiten unter Schwerelosigkeit erforscht, um wichtige Erkenntnisse für die Raumfahrttechnologie, aber auch für Anwendungen auf der Erde – etwa in der Biomedizin – zu gewinnen.
Abb.: Einbau der CCF-Anlage an Bord der ISS. (Bild: NASA)
Bei allen Systemen an Bord von Weltraumfahrzeugen, die eine Flüssigkeit enthalten – Trinkwasserbehälter, Toiletten oder Treibstofftanks – können Probleme durch die Bildung von Luftblasen entstehen. Im Benzintank eines Autos kann dies nicht passieren, denn durch die Schwerkraft sammelt sich der Treibstoff immer am Boden des Tanks. In einem Raumfahrzeug kann der Treibstoff im Tank dagegen aufgrund der Schwerelosigkeit unkontrolliert umherschwappen. An welcher Stelle im Tank befindet sich der restliche Treibstoff? Wie lassen sich unter diesen Bedingungen die Treibstoffleitungen blasenfrei halten?
Um das Problem zu umgehen, verwendet man oft einfach größere Tanks und mehr Treibstoff, als eigentlich nötig ist. Dadurch erhöhen sich jedoch Gewicht und Volumen der Raumfahrzeuge und damit auch die Kosten für den Start. Eine bessere Möglichkeit ist, spezielle kanalartige Strukturen in die Tanks einzubauen, die den Treibstoff durch Kapillarkräfte zum Tankauslass befördern.
Genau hier hat das „Capillary Channel Flow“-Experiment angesetzt: Die von Michael Dreyer vom ZARM-Institut der Universität Bremen und von Mark Weislogel von der Portland State University geleiteten Teams haben untersucht, wie sich unterschiedliche Formen von Treibstoffkanälen und Pumpgeschwindigkeiten auf den Flüssigkeitsstrom auswirken. Im Fokus der letzten, jetzt abgeschlossenen Experimentkampagne stand vor allem das Phänomen der Wellenbildung auf den Kanälen. Ziel war es herauszufinden, ob das Entstehen von Wellen auf der Oberfläche der Flüssigkeit in Zusammenhang steht mit der Stabilität der Flüssigkeitsströmung. Außerdem untersuchten die Wissenschaftler noch einmal genau, wie die Trennung von Gasblasen und Flüssigkeit unter Schwerelosigkeit funktioniert.
Das CCF-Experiment wurde insgesamt nahezu sechs Monate lang auf der ISS betrieben. Obwohl die Daten noch nicht vollständig ausgewertet sind, steht ein wichtiges Ergebnis schon fest: Die im Vorfeld von den Forschern entwickelten theoretischen Modelle zur Berechnung des Verhaltens von Strömungen in Kapillarkanälen unter Schwerelosigkeit konnten durch die Experimente voll bestätigt werden. Damit ist es jetzt möglich, das Strömungsverhalten mittels Computerprogrammen zuverlässig zu berechnen. Außerdem konnten die Wissenschaftler in Tests nachweisen, dass sich Luftblasen, die bereits in der Strömung vorhanden sind, durch bestimmte Kanalformen auch bei Schwerelosigkeit automatisch entfernen lassen.
Die Grundlagen, die das CCF-Experiment liefert, können zukünftig dazu dienen, das Design von Raumfahrzeugen zu optimieren und dadurch Kosten einzusparen. Aber auch auf der Erde könnten die Erkenntnisse von Interesse sein, etwa bei der Verbesserung der Flüssigkeitsströmungen in Bio-Chips für biologische und medizinische Screening-und Analysemethoden.
DLR / RK
