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EML - Neuer Hightech-Ofen auf der ISS

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  • Legierungen behälterfrei schmelzen

    Legierungen behälterfrei schmelzen

    In der Schwerelosigkeit werden Legierungen zukünftig behälterfrei mit der EML-Anlage geschmolzen. Eine elektromagnetische Spule hält die Probe in der Schwebe. Der deutsche Astronaut Alexander Gerst trainierte am EAC in Köln, wie die EML-Anlage funktioniert.

  • Alexander Gerst wird EML auf der Raumstation in Betrieb nehmen

    Alexander Gerst wird EML auf der Raumstation in Betrieb nehmen

    In der Schwerelosigkeit werden Legierungen zukünftig behälterfrei mit der EML-Anlage geschmolzen. Der deutsche ESA-Astronaut Alexander Gerst trainiert am EAC in Köln, wie sie funktioniert. Er wird EML auf der Raumstation in Empfang und in Betrieb nehmen.

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    Hightech-Ofen auf der ISS

    Während der geplanten Lebensdauer der EML-Anlage sollen bis zu sechs Probenkammern mit je 18 Legierungsproben bestückt, zur Raumstation transportiert und verarbeitet werden. Die Kammern kommen anschließend mit der Dragon-Kapsel von SpaceX zur Erde zurück. Man vergleicht diese Proben mit Analogproben, die auf der Erde geschmolzen und erstarrt wurden. Letztendlich sollen so die Wechselbeziehungen von Herstellungsprozess, Werkstoffgefüge und Werkstoffeigenschaften genauer als bisher möglich aufgeklärt werden.

  • EML%2dModul integriert im European Drawer Rack (EDR)

    EML-Modul integriert im European Drawer Rack (EDR)

Hintergrund und wissenschaftliche Ziele:

Im Hightech-Ofen EML (Elektromagnetischer Levitator) werden metallische Legierungsproben behälterfrei geschmolzen und erstarrt. Mit 14 ausgewählten ISS-Experimenten wollen die Forscher mehr über Erstarrungsvorgänge lernen sowie genauere Messdaten der thermophysikalischen Eigenschaften von Legierungsschmelzen erhalten, um metallurgische Produktionsprozesse auf der Erde effizienter zu gestalten. Computermodelle zum Erstarrungsverhalten, zur Ausbildung des Legierungsgefüges oder zu industriellen Gießprozessen von Hightech-Materialien, beispielsweise von neuartigen Turbinenschaufeln und Motorgehäusen, benötigen dringend präzisere Eingabeparameter.

Diese lassen sich vorteilhaft oder sogar ausschließlich anhand der Messungen auf der ISS gewinnen. Die Modellierung von Prozessen gewinnt dann an Realitätsnähe. Die Bestimmung der Wachstumsgeschwindigkeit und des Aufbaus der Erstarrungsfront, die flüssige und bereits erstarrte Bereiche voneinander trennt, die Wechselwirkung von keramischen Partikeln mit einer Erstarrungsfront und das Wachstum von Tropfen in nicht-mischbaren, metallischen Schmelzen sind weitere Zielstellungen aus den 14 ausgewählten ISS-Experimenten.

Experimentbeschreibung:

Das Konzept der EML-Anlage basiert auf der seit den frühen 1980er-Jahren in Deutschland entwickelten TEMPUS-Anlage. Sie wird in modifizierter Form noch heute für vorbereitende ISS-Experimente auf Parabelflugkampagnen des DLR Raumfahrtmanagementseingesetzt. EML besteht aus vier Modulen und wird mit dem europäischen Weltraumtransporter ATV-5 zur ISS gebracht. Ein Modul ist die wechselbare Probenkammer mit 18 Proben, die in keramische Probenhalter integriert sind. EML vereinigt mehrere Funktionen: Als Heizanlage verflüssigt sie hochschmelzende Legierungsproben mit einem Durchmesser von sechs bis acht Millimetern und hält diese mittels elektromagnetischer Felder berührungslos in der Schwebe. Um Verunreinigungen zu vermeiden, sind die chemisch aggressiven Schmelzen von einem Ultrahochvakuum oder reinstem Inertgas umgeben. Als Diagnosegerät erlaubt EML, die wichtigsten temperaturabhängigen Eigenschaften wie Oberflächenspannung, Viskosität, spezifische Wärme, Dichte und Schmelzenthalpie von Legierungsschmelzen zu ermitteln. Unter Schwerelosigkeit gelingt dies durch Wegfall von gravitationsabhängigen Störkräften wesentlich präziser als im Labor auf der Erde.

Als Messinstrument für schnelle Erstarrungsvorgänge aus tief unterkühlten Schmelzen ermöglicht EML mittels Hochgeschwindigkeitskameras (bis zu 50.000 Bilder pro Sekunde), die frühen Phasen (Keimbildung) in der Entstehung eines Werkstoffgefüges zu analysieren. Auf diese Weise sollen physikalische Wirkungsmechanismen aufgeklärt werden, die zu einem maßgeschneiderten Werkstoff führen. Der Experimentablauf kann automatisch erfolgen, wird jedoch in der Regel von der Bodenstation aus mit Telekommandos gesteuert. Wissenschaftler aus deutschen Universitäten (Ulm, Göttingen), dem DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum, dem Leibniz- Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung in Dresden und vom Forschungsinstitut ACCESS in Aachen sind am Projekt beteiligt. Neben akademischen sind im engen Verbund auch Industrieforscher der Metallindustrie beteiligt. Die verarbeiteten Proben nach deren Rücktransport zur Erde und die gewonnen Daten werden von den beteiligten Teams in enger Kooperation für eine umfassende Analyse genutzt.

Status:

EML wurde seit 2008 im Auftrag des DLR Raumfahrtmanagements und der ESA gemeinsam entwickelt und gebaut. Auftragnehmer ist die Firma Airbus Defense & Space (früher EADS Astrium). Die Anlage wird mit ATV-5 im Sommer 2014 auf die ISS gebracht und von dem deutschen Astronauten Alexander Gerst in das European Drawer Rack (EDR) im Columbus-Modul integriert. Da es weltweit keine vergleichbare Anlage gibt, steht den Wissenschaftlern bald ein innovatives Hightech-Instrument zur anwendungsorientierten Forschung zur Verfügung. Ein flugidentisches EML-Model wird für die Validierung aller Experimente am Microgravity User Support Center (MUSC) des DLR in Köln betrieben. Ein EML-Trainingsmodell steht den Astronauten ebenfalls in Köln im European Astronaut Center (EAC) zur Verfügung.

Perspektiven für Forschung und Anwendung:

Während der geplanten Lebensdauer der EML-Anlage sollen bis zu sechs Probenkammern mit je 18 Legierungsproben bestückt, zur Raumstation transportiert und verarbeitet werden. Die Kammern kommen anschließend mit der Dragon-Kapsel von SpaceX zur Erde zurück. Man vergleicht diese Proben mit Analogproben, die auf der Erde geschmolzen und erstarrt wurden. Letztendlich sollen so die Wechselbeziehungen von Herstellungsprozess, Werkstoffgefüge und Werkstoffeigenschaften genauer als bisher möglich aufgeklärt werden. Die thermophysikalischen Messdaten dienen der Verbesserung von Computermodellen für industrielle Prozesse. Terrestrische Produkte mit gezielt eingestellten Materialeigenschaften von "Superlegierungen" durch verbesserte Verfahren sind ein mittelfristiges Ziel. In einer weiteren Ausbaustufe wird EML ein spezielles Messgerät zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit von levitierten Schmelzen sowie eine Diagnostikeinheit zur Messung und Manipulation des Sauerstoffgehalts in der Prozessatmosphäre erhalten.

Start: Sommer 2014 / ATV-5 Georges Lemaître (geplant)
ISS-Zeitraum ab Sommer 2014 beginnend mit der Blue Dot-Mission
Unterbringung European Drawer Rack (EDR) im Columbus-Modul
Experimentator 14 ausgewählte Experimente, davon 13 unter deutscher Federführung
Einrichtung DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum, Köln; diverse Universitäten; andere Forschungseinrichtungen
Bereich Materialwissenschaften
Partner DLR, ESA, multinationales Tropical Team

 

Zuletzt geändert am:
03.07.2014 13:47:42 Uhr