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FIPEX - Orts- und zeitabhängige Messungen von atomarem Sauerstoff im niedrigen Erdorbit (abgeschlossen)

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  • FIPEX an der Außenplattform EuTEF des europäischen Columbus%2dModuls

    FIPEX an der Außenplattform EuTEF des europäischen Columbus-Moduls

  • FIPEX ist außen am Columbus%2dModul der ISS angebracht

    FIPEX ist außen am Columbus-Modul der ISS angebracht

    FIPEX besteht aus zwei Sensoreinheiten mit insgesamt zehn Sesoren, die den Partialdruck des atomaren Sauerstoffs aus der Umgebung des niedrigen Erdorbits mssen.

  • Bereit für den Start

    Bereit für den Start

    FIPEX, die Außenplattform EuTEF und das europäische Modul Columbus integriert in das Space Shuttle Atlantis am Startplatz in Cape Canaveral, Florida.

Hintergrund und wissenschaftliche Ziele:

Können Werkstoffe im Erdorbit rosten? Wie beeinflusst atomarer Sauerstoff die Atmosphäre und die Auslegung von Satellitenmissionen? Warum widersprechen sich die Modelle der oberen Atmosphäre um circa 470 Prozent? Auf diese Fragen soll das Flux-(Phi)-Probe-Experiment (FIPEX) eine Antwort finden. Erstmals wurde eine zeitgenaue Langzeitmessung des atomaren Sauerstoffs im niedrigen Erdorbit bis circa 450 Kilometer durchgeführt. Hierbei wurde zwischen molekularem und atomarem Sauerstoff unterschieden. Modelle der höheren Atmosphäre wurden verglichen und die Wechselwirkungen an dem eigentlichen Ort der elektrochemischen Reaktion - der sogenannten Dreiphasengrenze - zwischen dem keramischen Elektrolyten und den Elektroden im Ultrahochvakuum untersucht.

Experimentbeschreibung:

Das FIPEX-Experiment besteht aus zwei Sensoreinheiten mit insgesamt zwölf Sensoren. Diese neuartigen, miniaturisierten Messeinheiten erfassen den Partialdruck des atomaren Sauerstoffs bis 10-10 Millibar aus der natürlichen Umgebung des niedrigen Erdorbits und unterscheiden dabei den molekularen Sauerstoff aus Reaktionen des Ladungsausgleichs - sogenannten Rekombinationsreaktionen - und Ausgasungen aus den druckbeaufschlagten Modulen der Raumstation. Die Sensoren haben eine Betriebstemperatur von circa 650° Grad Celsius und entsprechen damit den besonderen Anforderungen an das Experimentsystem. Basierend auf ersten Konzepten der Universität Stuttgart wurden neben den Sensoren auch die Struktur und die Elektronik zur Steuerung, zur Daten- und Kommandoverarbeitung sowie zur Kommunikation mit der Außenplattform European Technology Exposure Facility (EuTEF) des Columbus-Moduls komplett an der TU Dresden entwickelt, nach den Standards der European Cooperation for Space Standardization (ECSS) weltraumqualifiziert und während der Mission gesteuert. Neben den wissenschaftlichen Zielen konnten damit auch Studenten praxisnah ausgebildet werden. Was ist faszinierender, als online mit einem Experiment auf der Raumstation von einer Universität aus zu kommunizieren?

Status:

Nachdem FIPEX und die Außenplattform EuTEF durch die Astronauten Rex Walheim und Stanley Love erfolgreich von der Nutzlastbucht des Space Shuttle Atlantis (STS-122) zum Columbus-Modul transportiert und befestigt wurde, konnte FIPEX im Februar 2008 eingeschaltet werden. Das Experiment befand sich bis September 2009 572 Tage lang an Bord der ISS und wurde mit dem Shuttle Discovery (STS-128) wieder zurücktransportiert. Die Hardware befindet sich zur Auswertung der wissenschaftlichen Daten und zur Ausbildung von Studenten an der Universität Dresden.

Ergebnisse:

Im niedrigen Erdorbit absorbiert der molekulare Sauerstoff die Sonnenenergie und wird dadurch in atomaren Sauerstoff gespalten, der sich dadurch in oberen Atmosphärenschichten anreichert. Die Wechselwirkung der Solarstrahlung mit der Erdatmosphäre spielt dabei eine wesentliche Rolle. Die zeitgenaue Messung der tatsächlich vorliegenden atomaren Sauerstoffkonzentration hilft uns dabei, die allgemeinen Klimamodelle auf der Erde besser zu verstehen.

Auch beim Satellitenbau helfen die FIPEX-Daten: Die extreme chemische Reaktionsfreudigkeit des atomaren Sauerstoffs ist für eine Vielzahl von Oberflächenprozessen und damit für eine Zersetzung der Materialien verantwortlich. Kennen wir die zeitabhängige Konzentration des atomaren Sauerstoffes im Orbit, können Strukturbauteile zukünftig den Bedingungen angepasst und so die Lebensdauer der Satelliten erhöht werden. FIPEX lieferte die ersten zeitaufgelösten Messungen zur Korrelation der Atmosphärenmodelle. Auch die ersten Ergebnisse sind publiziert. Weitere Missionen mit den vielversprechenden Sensoren sind nun notwendig, um die sehr starke zeitabhängige Variation des atomaren Sauerstoffs zu vermessen und den Einfluss auf die Atmosphärenzusammensetzung besser zu verstehen.

Perspektiven für Forschung und Anwendung:

FIPEX eröffnet auch für die Erde neue Anwendungsfelder - insbesondere aufgrund der guten Sensor- beziehungsweise Systemeigenschaften, der kostengünstigen und reproduzierbaren Fertigung, der hohen Empfindlichkeit bei geringen Gasanteilen sowie der gleichzeitigen Messung von Gasanteilen und Gesamtmassenströmen. Die Möglichkeit, dynamische Vorgänge durch geringe Ansprechzeiten zu untersuchen, ist insbesondere für die Medizintechnik interessant. Die Messung verschiedener Gase kann zu einem Einsatz in der Umwelttechnik (Messung von Schadstoffen mit Prozesssteuerung zu deren Minimierung), in der Vakuumtechnik und in der Allgemeinen Mess- und Regeltechnik (zum Beispiel gassensitive Durchflussregler) führen.

Start: 7. Februar 2008 / Space Shuttle Atlantis (STS-122)
ISS-Zeitraum Februar 2008 bis Oktober 2009
Unterbringung EuTEF-Plattform am Columbus-Modul
Experimentator Prof. Dr. Stefanos Fasoulas; Dr. Tino Schmiel
Einrichtung TU Dresden
Bereich Sensorenentwicklung für Gasanalyse unter extremen Bedingungen
Partner ESA, DLR, NASA
Deutsche Industrie Verschiedene Spin-off-Partner für das Atemgasanalysesystem RSS (Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickoxide, etc.)

 

Zuletzt geändert am:
03.07.2014 13:53:08 Uhr