01.03.2021

Feuersicherheit in der Raumfahrt

Experimente mit offenem Feuer auf dem Cygnus-Versorgungstransporter der ISS.

Bereits zum fünften Mal hat ein inter­natio­nalen Forscher­team den Cygnus-Versorgungs­transporter der ISS dafür genutzt, im Weltraum Experi­mente mit offenem Feuer durch­zu­führen. Dieses Mal wurden vom Rückweg Richtung Erde erstaun­liche Daten über­mittelt, die selbst für die Verbrennungs­experten vom ZARN, dem Zentrum für angewandte Raumfahrt­technologie und Mikro­gravitation der Universität Bremen, nicht vorher­sehbar waren. in der Schwere­losig­keit breitet sich eine Flamme nur entgegen­gesetzt zur Luft­strömung aus. Auf einem Raum­fahr­zeug eine Flamme auspusten zu wollen, wäre demnach eine wirklich schlechte Idee.

Abb.: Die brennende Plexi­glas­probe auf dem...
Abb.: Die brennende Plexi­glas­probe auf dem Cygnus-Ver­sor­gungs­trans­porter der ISS. (Bild: ZARM / U. Bremen)

Das Experiment, das am 6. Januar im Rahmen der SAFFIRE-V-Kampagne durch­geführt wurde, dauerte 23 Stunden. Es sollte unter­suchen, wie sich ein Feuer in einem Raum­fahr­zeug mit astro­nautischer Crew verhält. Da offenes Feuer im Weltraum, auch wenn es bewusst und kontrol­liert gezündet wird, immer ein großes Risiko darstellt, nutzt das Forschungs­team seit 2016 den Cygnus-Transporter, der auf dem Hinweg Versorgungs­materialien zur ISS bringt und auf dem Rückweg mit Abfällen in der Erd­atmo­sphäre verglüht. In der Phase zwischen dem Abdocken und vor dem Eintritt wird das Feuer entzündet.

Das Experiment des ZARM besteht aus einer struktu­rierten Plexiglas­probe. Die Probe ist vierzig Zentimeter breit, zwanzig Zentimeter lang und zehn Millimeter dick, mit Rippen unter­schied­licher Breite darauf, die von einem kontinuier­lichen Luftstrom mit einer Geschwindig­keit von zwanzig Zentimetern pro Sekunde angeblasen wird, der das Lüftungs­system, das gleich­zeitig das Sauerstoff­versorgungs­system ist, eines Raum­fahr­zeugs simulieren soll. Der Druck beträgt etwa siebzig Prozent des normalen Luftdrucks bei einer erhöhten Sauerstoff­konzen­tration von 26 Prozent und entspricht damit den Bedingungen, wie sie auf zukünftigen astro­nautischen Explorations­missionen vorgesehen sind.

Tatsächlich war es ein Zufall, der zum vielleicht erfolg­reichsten – weil lehr­reichsten – aller bisherigen Experimente des SAFFIRE-Projekts führte. Zunächst sollte eine Flamme an dem Ende der Material­probe entzündet werden, die aus Luft­strömungs­richtung betrachtet am Anfang der Plexiglas­scheibe liegt. Die Flamme würde sich also mit der Strömung ausbreiten. Von diesem Versuch erwarteten die Wissen­schaftler die besseren Erkenntnisse, aber der Zünder hatte offenbar seinen Kontakt verloren, so dass die Flamme nicht zündete. Beim zweiten Teil des Experiments wurde aber erfolgreich eine Flamme am anderen Ende der Plexiglas­scheibe entzündet – also im Gegenstrom – und zeigte dann ein völlig unerwartetes Verhalten: In der Schwere­losig­keit breitete sich die Flamme rasch aus, indem sie der Luft­strömung entgegen kam – ein Prozess, der unter normalen Gravitations­bedingungen so kaum statt­fände. Da die Plexiglas­scheibe durch den Ausfall des ersten Zünders noch unversehrt war, konnte dieses Verhalten sehr deutlich und über die gesamte Probenlänge hinweg beobachtet werden.

Die Beobachtungen lassen mehrere Schluss­folgerungen zu. Die grund­legendste ist, dass sich eine Flamme in Schwere­losig­keit nicht mit der Strömung ausbreiten kann. Es findet also genau das Gegenteil von dem statt, was wir intuitiv erwarten. Woran liegt das? Generell werden die eine Flamme umgebenden Luft­schichten erhitzt und dehnen sich aus. Die geringere Dichte führt unter normaler Erd­anziehungs­kraft dazu, dass diese leichteren Schichten nach oben aufsteigen und neuer sauerstoff­reicher Luft Platz machen. Die großen Geschwindig­keits­unter­schiede dabei führen zur Faltung der Strömung, die eine lodernde Flamme verursacht. Dabei wird Sauerstoff auch aus anderer als der Strömungs­richtung an das Material geführt. In der Schwere­losig­keit gibt es aber keine Gewichts­unter­schiede und daher auch keinen Auftrieb. Die heißen Gasbereiche dehnen sich zwar ebenfalls aus, sie bleiben aber in Strömungs­richtung geschichtet – ohne Faltung und ohne Lodern. Ganz ohne Luft­strömung würde die Flamme sogar in ihrem Abgas ersticken. Soweit ist das Phänomen bereits bekannt. Durch die vorhandene Luft­strömung beim SAFFIRE-Experiment­aufbau wird aber ausschließlich die vordere Flammen­basis – dort wo der Luftstrom auf die Flamme trifft – ausreichend mit Sauerstoff versorgt. Dementsprechend ist die Flamme hier am aktivsten und propagiert über­raschend schnell der Luft­strömung entgegen.

Eine weitere Erkenntnis ist, dass die Flamme den unter ihr aufge­heizten und ausgasenden Bereich vor Luft­zutritt und Verbrennung schützt. Die gegen die Anströmung propa­gierende Flammen­front hinter­lässt also keine brennende Fläche. Statt­dessen wird unter ihr viel brenn­bares aber unver­branntes Rauchgas produziert. Das bedeutet weiterhin, dass die kleinste Störung der Schichtung, die dieses heiße, unverbrannte Rauchgas mit Sauerstoff versorgen würde, zu dramatischen Verpuffungen führt. So einen „Backdraft“ gibt es zwar auch am Boden, jedoch bedarf es unver­gleichlich stärkerer Störungen, um diesen auszu­lösen. Am ehesten bekannt ist dieser Begriff in Verbindung mit Feuer in geschlossenen Räumen. Hier bildet sich unter der Decke ebenfalls eine Schicht heißer brennbarer Gase und durch das Öffnen einer Tür oder das Bersten eines Fensters kann neuer Sauerstoff eingemischt und eine Verpuffung ausgelöst werden. Dieses Phänomen musste das Forschungs­team beim vorherigen Flug beobachten, bei dem die Strömung offenbar zu kurz nach Verlöschen der Probe wieder eingeschaltet wurde.

Welche Konsequenzen haben diese neuen Erkenntnisse für das Verhalten einer Weltraum-Crew im Fall, dass ein Feuer ausbricht? Ein Crew-Mitglied, das sich in einem Feuer­szenario bewegt oder gar Lösch­versuche mit einem Strahl unter­nimmt, kann die plötzliche Verbrennung aller akkumu­lierten Rauchgase auslösen und damit die Situation eskalieren. Bei der Auswahl der Feuer­lösch­technik wird man also ganz anders abwägen müssen, ob ein aktives Eingreifen überhaupt sinnvoll sein kann.

ZARM / RK

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