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DCMIX - Diffusionsvorgängen in mehrkomponentigen Fluiden auf der Spur

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  • Robert Thirsk installiert die SODI%2dApparatur

    Robert Thirsk installiert die SODI-Apparatur

    Der kanadische Astronaut Robert Thirsk installiert die SODI-Apparatur in der Microgravity Science Glovebox (MSG) im Columbus-Modul.

  • DAs Experiment DCMIX

    DAs Experiment DCMIX

    Im Experiment DCMIX werden Thermodiffusionsuntersuchungen mit Fluiden durchgeführt, die mindestens aus drei Komponenten bestehen (sogenannte ternäre Mischungen). Dazu dient die ESA-Apparatur Selectable Optical Diagnostics Instrument (SODI), die in der Microgravity Science Glovebox (MSG) im Columbus-Modul der ISS untergebracht ist.

  • André Kuipers mit mehreren Einschüben der SODI%2dApparatur

    André Kuipers mit mehreren Einschüben der SODI-Apparatur

    ESA-Astronaut André Kuipers mit mehreren Einschüben der SODI-Apparatur, die im November 2011 auf die Raumstation gebracht wurden

Hintergrund und wissenschaftliche Ziele:

Durchmischen sich mit der Zeit zwei oder mehrere Stoffe wie Gase oder Flüssigkeiten durch die Verteilung der beteiligten Teilchen, handelt es sich um eine Diffusion. Sie wird durch mehrere Faktoren beeinflusst: Wärme, Konzentration, Druck und Schwerkraft. In einem Fluid (Flüssigkeit, Gas), das aus mehreren Bestandteilen zusammengesetzt ist, führt eine räumliche Änderung der Temperatur - der sogenannte Temperaturgradient - nicht nur zu einem Transport von Wärme, sondern auch zu einem Massentransport und damit auch zu Konzentrationsunterschieden zwischen den verschiedenen Komponenten. Diese sogenannte Thermodiffusion (Soret-Effekt) wurde bislang fast ausschließlich in zweikomponentigen Fluiden untersucht, obwohl insbesondere viele anwendungsrelevante Fluide wie Rohöl aus deutlich mehr als nur zwei Komponenten bestehen. Um diese experimentelle Lücke zu schließen und gleichzeitig bestehende theoretische Modelle zu überprüfen, braucht man Ergebnisse aus Thermodiffusions-Experimenten mit Fluiden, die wenigstens drei oder auch mehr Komponenten enthalten. Sie sollen auch dabei helfen, die Kompositionsvariationen in Erdöllagerstätten künftig besser zu verstehen.

Experimentbeschreibung:

Derartige Thermodiffusionsuntersuchungen werden im Experiment DCMIX mit Fluiden durchgeführt, die mindestens aus drei Komponenten bestehen (sogenannte ternäre Mischungen). Dazu dient die ESA-Apparatur Selectable Optical Diagnostics Instrument (SODI), die in der Microgravity Science Glovebox (MSG) im Columbus-Modul der ISS untergebracht ist. Die Versuchsserien müssen unter Schwerelosigkeit ablaufen, da nur unter dieser Umgebungsbedingung Störfaktoren wie Auftriebskonvektion und Ablagerung (Sedimentation) ausgeschaltet werden können. Das DCMIX-Experiment vereint Wissenschaftler-Teams aus Belgien, Deutschland, Frankreich, Japan, Kanada, Russland und Spanien.

Um Thermodiffusion in den dreikomponentigen Fluiden des DCMIX-Experiments zu untersuchen, bedient man sich der Methode der Laser-Interferometrie bei verschiedenen Wellenlängen (670 und 935 Nanometern). Dabei werden die Konzentrationsunterschiede der einzelnen Bestandteile eines ternären Fluids gemessen. Daraus lassen sich die jeweiligen Transportkoeffizienten der einzelnen Bestandteile ableiten. Während binäre Mischungen durch jeweils einen einzigen Diffusions- und Thermodiffusionskoeffizienten beschrieben werden können, benötigt man für ternäre Systeme bereits vier unabhängige Diffusions- und zwei Thermodiffusionskoeffizienten. Von entscheidender Bedeutung für die wissenschaftliche Analyse dieser Mikrogravitationsexperimente ist die hochgenaue Bestimmung der sogenannten Kontrastfaktoren. Sie sind ein Maß für die Änderung des Brechungsindexes mit der Temperatur beziehungsweise der Konzentration eines Fluids. Anders als die Diffusionskoenffizienten können diese Kontrastfaktoren im Erdlabor vermessen werden. Hierzu bedient man sich ebenfalls der Laser-Interferometrie. Die Bayreuther Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Werner Köhler, die maßgeblich an DCMIX mitwirkt, hat daher eine eigene Apparatur entwickelt, um die Kontrastfaktoren über einen großen Wellenlängenbereich präzise zu vermessen.

Status:

Ein erster Experimentdurchgang von DCMIX konnte von Dezember 2011 bis Mitte Januar 2012 erfolgreich absolviert werden. Die Vorbereitung und Durchführung des Experiments an Bord der ISS oblag dabei insbesondere dem ESA-Astronauten André Kuipers. Die auf Festplatten gespeicherten Daten wurden den beteiligten Wissenschaftlern auf der Erde im Sommer 2012 zur weiteren Auswertung ausgehändigt. Die Auswertung der Ergebnisse von DCMIX-1 dauert derzeit noch an. Von Dezember 2013 bis Ende Januar 2014 lief der zweite Experimentdurchgang mit dem Namen DCMIX-2 unter Federführung einer belgischen Arbeitsgruppe. Der Datentransfer zur Erde sowie die Datenauswertung sollen in den kommenden Monaten erfolgen. Die nächste Serie namens DCMIX-3 soll im November 2014 gestartet werden. Sie wird federführend von der Bayreuther Forschergruppe koordiniert. Weitere DCMIX-Experimentläufe sind für die kommenden Jahre bereits geplant.

Perspektiven für Forschung und Anwendung:

Zunächst steht bei DCMIX der grundlagenphysikalische Erkenntnisgewinn zum Diffusionsprozess anhand von organischen Modellflüssigkeiten im Vordergrund. Eine äußerst wichtige Rolle spielt DCMIX bei der Etablierung verlässlicher konvektionsfreier Referenzdaten für spätere weiterführende Experimente am Boden. Mit dem Erfolg von DCMIX ist aber auch die Hoffnung verbunden, einer weiteren Untersuchung technologisch relevanter mehrkomponentiger Fluide Vorschub zu leisten. Wirtschaftliches Potenzial wird beim verbesserten Verständnis von Kompositionsvariationen in Erdöllagerstätten aber auch bei der Fraktionierung von mehrkomponentigen Polymerlösungen erwartet.

Start: 3. Februar 2010 / Progress 36P
ISS-Zeitraum seit Herbst 2011
Unterbringung Microgravity Science Glovebox (MSG) im Columbus-Modul
Experimentator Prof. Dr. Werner Köhler
Einrichtung Physikalisches Institut der Universität Bayreuth
Bereich Fluidphysik
Partner ESA, multinationales Topical Team

 

Zuletzt geändert am:
30.10.2014 09:33:53 Uhr