08. März 2012

Versuchsaufbau; Quelle: ZARM

ZARM-Experiment auf Höhenforschungsrakete

Am 13. Februar 2012 um 10:30 Uhr MEZ startete die Höhenforschungsrakete Maser-12 vom Esrange Space Center unweit der nordschwedischen Stadt Kiruna ihren etwa sechsminütigen Flug im Dienste der Forschung unter Schwerelosigkeit. Mit an Bord befand sich ein Experiment vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM), das untersucht, welche Prozesse Falle der spontanen Erhitzung einer Flüssigkeit auftreten. Die Ergebnisse sollen einen ersten Anhaltspunkt zu der Frage liefern, was im Treibstofftank eines Raumfahrzeugs passiert, wenn dieser einer starken Hitzequelle ausgesetzt wird.

Das Experiment SOURCE 2 (Sounding Rocket Compere Experiment) ist das zweite innerhalb der Versuchsreihe der European Space Agency (ESA), in dem beobachtet wird, wie sich eine Testflüssigkeit in einem Behälter verhält, der extrem unterschiedliche Temperaturzonen hat. In sehr vereinfachter Form kennen wir die auftretenden Phänomene vom Wasserkochen in einem Kochtopf. An der heißesten Stelle des Kochtopfs beginnt das Wasser zu sieden. Das heißt, beim Verdampfungsprozess bilden sich Blasen, die als heißer Dampf aus der Flüssigkeit aufsteigen. Ein Teil dieses heißen Dampfes trifft auf den kühleren Deckel des Kochtopfs, wo er wieder zu Wasser kondensiert.

Diese Verdampfungs- und Kondensationseffekte konnten nun unter Schwerelosigkeit beobachtet werden. Dazu wurde ein Glaszylinder am oberen Ende auf ca. 130°C erhitzt und am Boden mit Hilfe einer Kühlplatte auf 35°C gehalten. Nach dem Start der Maser-12-Rakete wurde der Zylinder mit kühler Testflüssigkeit (Hydrofluorether) und 150° C heißem Dampf desselben Stoffs befüllt. Aus dem Videomitschnitt wird sofort deutlich, dass sich dort, wo die Flüssigkeit die heißen Wände der Testzelle berührt, Blasen bilden. Dass dieser Effekt – genau wie auf der Erde – auch in der Schwerelosigkeit auftritt, war bisher nicht bekannt. Durch die fehlende Gravitation steigen die Blasen aber nicht auf, sondern werden von der vorherrschenden Strömung mitgenommen.

Von besonderem Interesse ist auch die Auswertung der Druckverhältnisse während des Experiments. Durch die Verdampfung der Flüssigkeit an der heißen Wand steigt der Druck im Innern des geschlossenen Zylinders. Durch die Kondensation des heißen Gases an der kühleren Flüssigkeit hingegen sinkt der Druck. Überraschenderweise konnte das ZARM-Team beobachten, dass der Einfluss der Kondensation stärker war als der Verdampfungseffekt - der Druck also abfiel anstatt zu steigen. Für die Frage, wie ein Treibstofftank im Weltraum auf eine kurzfristige, partielle Überhitzung reagiert und ob - oder auch wie lange - die Wechselwirkung von Verdampfung und Kondensation die Entstehung eines Überdrucks verhindert, ist dieses Ergebnis ein wichtiger Anhaltspunkt. Die Auswertung der gesamten in der dreiminütigen Versuchsphase gesammelten Daten wird voraussichtlich noch Monate dauern. Die ZARM-Wissenschaftler versprechen sich aber weitere wichtige Erkenntnisse für das Tankdesign zukünftiger Raketentriebwerke, die mit kryogenen Treibstoffen wie flüssigem Wasserstoff oder Sauerstoff betrieben werden.

Bereits im Mai 2008 konnten wertvolle sechs Minuten Experimentdauer unter Schwerelosigkeit auf der MASER-11 für das erste SOURCE-Experiment genutzt werden. Beide Experimente sind eingebunden in das „Microgravity ApplicationProgram“ AO-2004-111 (Convective boiling and condensation) der ESA. SOURCE 2 wurde in Zusammenarbeit mit Air Liquide Grenoble, Toulouse IMFT und EADS Astrium Bremen durchgeführt. Die Hardware und der Flug wurden von der European Space Agency (ESA) finanziert, das Wissenschaftlerteam des ZARM vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

 

 

Technische Details:

Das Experiment dient der Untersuchung des Wärme- und Stofftransports von Flüssigkeiten im Bereich der freien Oberfläche unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit. Dazu wird eine zylinderförmige Testzelle aus transparentem Quartzglas mit einer Grundfläche von 80mm x 80mm, einer Höhe von 120mm und einem Bohrdurchmesser von 60mm vorbereitet. Als Testflüssigkeit dient ein Hydrofluorether (HFE-7000), das sich vor allem aufgrund seiner optimalen Benetzungsfähigkeit sehr gut eignet. Die Temperaturen werden vor und während des Experiments mittels Thermoelementen gemessen, die an drei verschiedenen Stellen in Gruppen positioniert wurden. Zunächst wird die Testzelle evakuiert und vorerhitzt. Im stabilen Zustand hat die Testzelle dann im oberen Bereich eine Temperatur von ca. 130°C, der Boden der Testzelle wurde indes mit Hilfe einer Kühlplatte auf 35°C gehalten.

Die Temperaturentwicklung innerhalb der Testzelle lieferte einen Temperaturgradienten von ca. 1 K/mm am vorgesehenen Kontaktpunkt zwischen Flüssigkeit und Wand. Anschließend wurde die kalte Flüssigkeit etwa eine Minute nach dem Start des Nutzlastmoduls innerhalb von 25 Sekunden automatisch eingefüllt, wobei während des Füllvorgangs die Testzelle auch für etwa zehn Sekunden mit heißem Dampf (150° C) auf 0.21 MPa bedrückt wurde. Der Zustand der Schwerelosigkeit erfolgte 75 Sekunden nach dem Start.

Die endgültige Position der freien Oberfläche wurde bei 117 Sekunden durch zusätzliche manuelle Befüllung mit einem reduzierten Volumenstrom von 3ml/s erreicht. Nach dem manuellen Füllvorgang konnte Blasenbildung im Wandbereich beobachtet werden. Die Wandtemperatur im Bereich des Kontaktpunktes lag dabei ca. 20 K über der entsprechenden Sättigungstemperatur der Flüssigkeit. Konvektiver Blasentransport im Bereich unterhalb der freien Oberfläche war zu sehen und kann u. U. durch thermokapillare Grenzflächenkonvektion erklärt werden. Eine Deformation der freien Oberfläche im Vergleich zum isothermen Fall war eindeutig zu erkennen.

Da der Einfluss der Kondensation an der freien Oberfläche offensichtlich stärker war als Verdampfungseffekte in der Nähe der Wand, musste der abnehmende Druck innerhalb der Testzelle einmal bei 126 s auf 0.2 MPa und weiterhin bei 146 s auf 2.5 bar korrigiert werden. Durch diese Maßnahme konnte die Blasenbildung letztendlich unterdrückt werden. Eine oszillierende teils schwankende, aber stabile freie Oberfläche konnte somit bis zum Ende der Experimentphase bei 180 s beobachtet werden.

Ansprechpartner bei inhaltlichen Fragen:
Prof. Dr. Michael Dreyer
Leiter Arbeitsgruppe „Fluid Dynamics and Multiphase Flow“
michael.dreyer(at)zarm.uni-bremen.de
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Birgit Kinkeldey
Leiterin Kommunikation
birgit.kinkeldey(at)zarm.uni-bremen.de
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