Experimente
"Außenposten" im All
Internationale Raumstation ISS
theme

CCF - Untersuchung von kapillaren Kanalströmungen

Autoplay
Info an
Info aus
Informationen
Schließen
Vollbild
Normal
zurück
vor
{{index}}/{{count}}
Tipp:
<Escape>, um fullscreen zu beenden.
  • Astronaut Scott Kelly arbeitet im an der CCF%2dHardware

    Astronaut Scott Kelly arbeitet an der CCF-Hardware

    NASA-Astronaut Scott Kelly arbeitet im Destiny-Labor an der CCF-Hardware, die in der Microgravity Science Glovebox (MSG) eingebaut ist.

  • Flüssigkeiten in Schwerelosigkeit

    Flüssigkeiten in Schwerelosigkeit

    Flüssigkeiten strömen in Schwerelosigkeit bis zu einer bestimmten Geschwindigkeit unbeeinträchtigt konstant. Wird der Saugdruck der Pumpe soweit erhöht, so dass die Strömungsgeschwindigkeit ein bestimmtes Maß überschreitet, dann bilden sich am Rand der Apparatur Blasen und der Flüssigkeitsstrom reißt ab.

  • Zweite CCF%2dExperimentiereinheit im Mission Control Center in Huntsville

    Zweite CCF-Experimentiereinheit im Mission Control Center in Huntsville

    Im Mission Control Center in Huntsville wurde eine zweite CCF-Experimenteinheit in einem Modell der Microgravity Science Glovebox installiert. Diese zweite Einheit erlaubt Wissenschaftlern und Ingenieuren, vom Boden aus Versuchsszenarien zu simulieren.

Hintergrund und wissenschaftliche Ziele:

Im Benzintank eines Autos sammelt sich der restliche Treibstoff immer am Boden des Tanks und kann so von der Benzinpumpe vollständig zum Motor befördert werden. Kommt aber beispielsweise ein Raumfahrzeug in der antriebslosen Flugphase (Schwerelosigkeit) ins Taumeln, so beginnt der Treibstoff im nicht mehr vollständig gefüllten Tank unkontrolliert umher zu schwappen. Wie kann er unter diesen Bedingungen sicher zu den Steuerdüsen transportiert und wie können die Treibstoffleitungen blasenfrei gehalten werden? Welche maximalen Strömungsgeschwindigkeiten sind erreichbar, ohne dass der Flüssigkeitsstrom abreißt? Die Gleichungen der klassischen Strömungsmechanik beschreiben die wirkenden Kräfte und der Flüssigkeitsstrom wird heutzutage meistens auch numerisch simuliert. Eine Überprüfung der theoretischen Modelle kann allerdings nur durch Experimente unter Schwerelosigkeit erfolgen. Um Antworten auf diese Fragen zu finden, haben daher deutsche und US-amerikanische Forscher die Capillary Channel Flow (CCF)-Apparatur mit zwei unterschiedlichen Experimenteinheiten zur ISS geschickt.

Experimentbeschreibung:

Bei allen Systemen, die an Bord von Weltraumfahrzeugen eine Flüssigkeit enthalten, wie etwa Trinkwasserbehälter, Toiletten oder Treibstofftanks können Probleme während des Flüssigkeitstransports sowie mit dem Auftreten von Blasen entstehen. Die CCF-Apparatur simuliert den Flüssigkeitstransport in solchen Systemen unter den besonderen Bedingungen der Schwerelosigkeit. Sie besteht aus einer Pumpe, die aus einem Tank Modellflüssigkeit durch seitlich offene Leitungen - den sogenannten Kapillarkanälen - saugt. In der Experimenteinheit 1 besteht diese Leitung aus zwei parallelen Glasplatten, die durch Schließen eines Schiebers auch in einen U-förmigen Kanal umgewandelt werden kann. In der Experimenteinheit 2 besteht die Leitung aus einem V-förmigen Glaskanal. Die Wissenschaftler untersuchen wie sich unterschiedliche, offene Kanalformen auswirken und wie hoch jeweils die Pumpgeschwindigkeit sein darf, ohne dass Luftblasen in die Strömung eingesogen werden. Man spricht hier von der kritischen Strömungsgeschwindigkeit. In den Experimentserien werden die Länge der Kanäle sowie die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit variiert. Bei Kanälen mit V-förmigem Querschnitt können zusätzlich noch Gasblasen mit steuerbarer Frequenz und Größe in die Flüssigkeit eingebracht werden.

Das DLR Raumfahrtmanagement beauftragte EADS Astrium (heute Airbus Defence & Space) mit Entwicklung und Bau der Anlage. Die Mission selbst beruht auf einer Projektvereinbarung zwischen der NASA und dem DLR Raumfahrtmanagement, die im Februar 2007 in Kraft trat. Bereits drei Jahre später war die Anlage im Orbit - ein für Weltraumprojekte zügiger Ablauf, der durch eine ausgeprägte Partnerschaft aller Beteiligten gelang. Die NASA transportierte die Anlage mit dem Space Shuttle Discovery zur ISS und stellt bis heute sämtliche ISS-Ressourcen zur Verfügung. Die Apparatur ist in der Microgravity Science Glovebox (MSG) des Columbus-Moduls installiert. Das Versuchsteam besteht aus Wissenschaftlern des Zentrums für Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM)  der Universität Bremen und der Portland State University (PSU). Die Experimente laufen quasi in Echtzeit und ausschließlich ferngesteuert von den Bodenstationen an den beiden Universitätsinstituten ab. Auch sämtliche Messdaten werden über Telemetrie zum Boden übermittelt.

Status:

Am 5. April 2010 wurde die CCF-Hardware mit dem Space Shuttle Discovery (STS-131) zur ISS transportiert. Bis Ende 2013 haben die Wissenschaftler im deutsch-amerikanischen Kooperationsprojekt drei erfolgreiche, mehrmonatige Experimentserien mit beiden Experimenteinheiten durchgeführt. Eine weitere ist ab Spätsommer 2014 geplant.

Bisherige Ergebnisse:

In einem Parameterbereich, welcher auf der Erde nicht zugänglich ist, wurden kritische Strömungsgeschwindigkeiten für zahlreiche Kanallängen und drei unterschiedliche Kanalformen ermittelt. Die experimentellen Ergebnisse haben die zuvor entwickelte Theorie bisher voll bestätigt. Die Stoffeigenschaften der Modellflüssigkeit wie Zähigkeit, Dichte und Oberflächenspannung wurden so gewählt, dass sie in Kombination mit der Form des Testkanals realen Treibstofftransporten sehr ähnlich sind. Dadurch lassen sich die Ergebnisse vom experimentellen Modell auf der ISS relativ leicht auf den Tank in einem Raumfahrzeug übertragen.

Unter Schwerelosigkeit erfolgt die Trennung von Luft und Flüssigkeit mangels Auftrieb nicht automatisch, sondern muss aktiv durch Zentrifugieren oder ähnlich aufwendige Maßnahmen erreicht werden. Im CCF-Experiment wurde daher eine ganz neue Trennungsstrategie für ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch unter Schwerelosigkeit demonstriert: Nimmt man einen V-förmigen Kapillarkanal und die "richtige" Strömungsgeschwindigkeit, dann erfolgt die Trennung selbstständig aufgrund von Kapillarkräften.

Perspektiven für Forschung und Anwendung:

Den vorhandenen Treibstoff möglichst vollständig auszunutzen, ist eine Herausforderung im Design von Raumfahrzeugen. Die Lebensdauer von Satelliten kann dadurch verlängert werden, weil sie länger stabil in ihrer Position bleiben. Spezielle kanalartige Strukturen in den Tanks sind beispielsweise geeignet, den Treibstoff durch Kapillarkräfte zum Tankauslass zu befördern, wo er vollständig abgepumpt werden kann. CCF hat dazu bereits wertvolle Grundlagenerkenntnisse geliefert. So hoffen die Wissenschaftler, maßgeschneiderte Treibstoffleitungen entwickeln zu können. Denkbar sind auch Verbesserungen von Flüssigkeitsströmungen im Mikroformat, den sogenannten Bio-Chips für ein biologisches Gesundheits-Screening.

Start: 5. April 2010 / Space Shuttle Discovery (STS-131)
ISS-Zeitraum seit April 2010 bis 2014/15
Unterbringung Microgravity Science Glovebox (MSG) im Columbus-Modul
Experimentator Prof. Dr. Michael Dreyer; Prof. Dr. Mark Weislogel
Einrichtung ZARM, Universität Bremen; Portland State University, USA
Bereich Fluidphysik
Partner DLR, NASA

 

Zuletzt geändert am:
03.07.2014 12:13:39 Uhr