Tropfen im Weltall

Forschende unter Beteiligung des Fachgebiets für Strömungslehre und Aerodynamik (SLA) vom Fachbereich Maschinen­bau der TU Darmstadt haben einen Versuchsaufbau zur Inter­nationalen Raumstation ISS geschickt. Ziel ist es, den Mischvorgang von Tropfen beim Zusammenprall besser zu verstehen. In der Schwere­losigkeit lässt sich dies besonders gut untersuchen.

Wie sich Tropfen beim Zusammenprall vermischen, ist wichtig für die Entwicklung innovativer Technologien, zum Beispiel für Anwendungen wie medizinische Inhalatoren, Flüssigkeits­handhabung im Weltraum, Kraftstoff­einspritzung, Beschichtungen und Kühlung. Zudem lassen sich daraus Designempfehlungen für verbesserte technologische Lösungen ableiten. In gezielten Versuchen wollen die Forschenden herausfinden, wie die Dichte und Oberflächen­spannung der Flüssigkeiten, aber auch die Tropfen­größe und Aufprall­geschwindigkeit den Mischvorgang beeinflussen. Dafür wurden bereits Experimente im Labor in Darmstadt und unter Schwere­losigkeit in Parabel­flügen durchgeführt, mit denen besonders gut der Mischvorgang in den ersten wenigen Sekunden nach dem Tropfen­kontakt untersucht werden kann. 

Der nun auf der ISS installierte Versuchs­aufbau etwa in der Größe eines Schuhkartons dient dazu, ein besseres Verständnis des Misch­vorganges auf längeren Zeitskalen zu gewinnen. Nach dem erfolgreichen Start der Rakete am 5. November in Florida wird der Versuchsaufbau im Raumlabor „Columbus“ der ISS installiert und circa zehn Tage von den Forschenden auf Herz und Nieren geprüft. In den darauffolgenden sechs Monaten werden Tropfen unterschiedlicher Größe und Flüssigkeiten in auto­matisierten Versuchen miteinander zu Kollision gebracht. Dabei werden die ersten Sekunden nach dem Zusammen­prall der Tropfen von der Seite mit Hilfe einer Hoch­geschwindigkeits­kamera aufgenommen. In einem der Tropfen ist ein blauer Farbstoff gelöst, der es ermöglicht, die Flüssig­keit des einen Tropfens zu verfolgen. So kann von der Hoch­geschwindigkeits­kamera das Strömungs­feld verfolgt werden und beispielsweise das Voranschreiten der Vermischung aufgenommen werden.

Das Ziel der Messkampagne ist, zu identifizieren, welchen Einfluss die Tropfen­größe, die Aufprall­geschwindigkeit und die Oberflächenspannung auf die Mischung haben. Experimente im Labor und bei Parabelflügen haben bereits gezeigt, dass die Schwerkraft das Strömungsfeld in den Tropfen in den ersten Sekunden nach dem Zusammenprall stark beeinflusst. Nun soll untersucht werden, welchen Einfluss die einzelnen Faktoren auf die weitere Mischung beim Zusammen­prall haben. Obwohl die Versuche in der ISS automatisiert ablaufen, haben die Forschenden immer wieder die Möglichkeit, Video­aufnahmen von der Raumstation abzurufen. So können sie überprüfen, ob die Versuche wie geplant funktioniert haben oder ob es zu Problemen gekommen ist und Versuche wiederholt werden müssen. 

Die Daten hierfür liegen jedoch zunächst nur in einer niedrigen Auflösung vor, da die Datenmengen, die bei den Versuchen anfallen, zu groß für die vorhandenen Daten­verbindungen der ISS sind. Die hochauflösenden Versuchs­daten werden erst nach Ablauf der sechs Monate per Festplatte wieder zurück zur Erde gebracht. Danach beginnt die zweite spannende Phase für die Forschenden: das Auswerten und Analysieren der Versuche. Die Forschungs­arbeit findet in einem inter­nationalen Verbund statt mit Partnern aus der EU und den USA.

TU Darmstadt / JOL