04.02.2022

Flüssigkeiten in der Schwerelosigkeit

Höhenforschungsrakete bringt Experiment in 250 Kilometer Höhe.

Ein Experiment der BTU Cottbus-Senftenberg hebt am 26. Februar 2022 in einer Höhenforschungs­rakete in Schweden ab. Ziel der Wissen­schaftler um Christoph Egbers ist die Untersuchung des Wärme- und Stofftransports in einer Flüssigkeit unter Weltraum­bedingungen. Mit den Erkenntnissen lassen sich beispiels­weise Wärmetauscher in Kühlsystemen oder Satelliten optimieren. Als eines von vier deutschen Teams beginnen die Wissen­schaftler Martin Meier und Vasyl Motuz gemeinsam mit Christoph Egbers Mitte Februar ihre Reise von Bremen nach Nordschweden, Kiruna. Dort begleiten die Forscher den Start einer Höhen­forschungsrakete, die im Rahmen des Wissenschafts­programms Texus – Techno­logische Experimente unter Schwere­losigkeit – biologische, material­wissenschaftliche und physikalische Untersuchungen unter Weltraum­bedingungen ermöglicht.

Abb.: Von Kiruna in Nordschweden wird das Experiment zur Unter­suchung von...
Abb.: Von Kiruna in Nordschweden wird das Experiment zur Unter­suchung von Strömungen Ende Februar starten. (Bild: DLR)

Im Fokus des Vorhabens steht die thermische Konvektion in einer Zylinderspalt­geometrie unter dem Einfluss eines elektrischen Zentral­kraftfeldes. Während die Untersuchungen auf der Erde durch schwerkraft­getriebene Strömungs­bewegungen überlagert werden, können die Wissenschaftler die Effekte unter Schwere­losigkeit ohne diesen Einfluss beobachten und mit Computer­modellen vergleichen. Nach bisher zwölf erfolg­reichen Experiment­kampagnen zur thermo­elektrischen Konvektion im freien Fall bei Parabelflug-Missionen in Frankreich ist dies nun die erste Mission in einer Höhen­flugrakete. „Während des Raketenfluges können unsere thermo­elektrischen Strömungs­experimente in einem etwa achtzehnfach längeren Zeitraum in annähernder Schwere­losigkeit stattfinden, als die Parabelflüge es ermöglichen. Damit erhöht sich die Qualität der Versuchs­ergebnisse deutlich. Die Möglichkeit, dass unser Experiment als eines von vier Versuchs­aufbauten mitfliegt, ist für unsere Forschungen sehr bedeutend. Mit einer Kombination von zwei optischen Mess­techniken, der Shadowgraph- und der Particle Image Velocimetry (PIV)-Messtechnik, können wir das Strömungs­feld sichtbar machen und charak­terisieren“, sagt Egbers.

Im Rahmen eines zweiten Projekts wird der Einfluss eines elektrohydro­dynamischen Kraftfeldes auf den Wärme- und Stoff­transport in einem Zylinderspalt untersucht. Der Zylinder­spalt entsteht zwischen zwei ineinander gestellten, senkrechten Rohren und ist oben und unten durch Deckel- und Bodenplatte begrenzt. Der Spalt ist mit einem elektrisch nicht­leitenden Öl gefüllt. Während das innere Rohr beheizt wird, wird das äußere Rohr von außen gekühlt. Der Temperatur­unterschied führt zu einer Grundströmung. Erhöht sich der Temperatur­unterschied, nimmt die Grundströmung neue Formen an, der Wärme­transport zwischen Innen- und Außenrohr ist verstärkt.

Wenn auf dieses System nun ein Kraftfeld in Form einer angelegten Wechsel­spannung wirkt, entsteht eine elektrohydro-dynamische Kraftwirkung. Unter Erdbedingungen stört dieses künstliche Kraftfeld die Stabilität der Auftriebs­strömung und kann den Wärme­transport verstärken. Unter Mikrogravitations­bedingungen wird die Auftriebsströmung jedoch vernachlässigbar klein. Das durch die Hochspannung aufgebaute Kraftfeld ist dann allein ausschlag­gebend für das Entstehen von Strömungen im Zylinderspalt, die vielfältige Formen bis zu turbulenten Strömungen annehmen können. Diese Strömungs­formen – und damit auch der Wärmetransport zwischen Innen- und Außenrohr – können mit der Höhe der elektrischen Spannung kontrolliert werden.

BTU / JOL

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