Parabelflüge

Liquid Diffusion under Low gravity III



 Abb.1 Der Prüfstand aufgebaut im Airbus A300 Zero-G.
zum Bild Abb.1 Der Prüfstand aufgebaut im Airbus A300 Zero-G.
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Abb. 2 Scherzelle in verschiedenen Stellungen,
a: Befüllen, b: Scheren, c: Start Experiment
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Abb. 3 Flowing Junction Cell
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Abb. 4 Flussrichtungen in der
Flowing Junction Cel.l
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Abb.5 Eine Flüssigkeit umschließt
die andere.
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Abb.6 Tropfen berühren sich.
Im März 2005 haben zum nunmehr dritten Mal das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt und die Fachhochschule Aachen gemeinsam an einer Parabelflugkampagne der ESA teilgenommen.

Im Mittelpunkt standen die Modellexperimente zum Transport in Flüssigkeiten unter dem Einfluss von Schwerelosigkeit. Als neues Experiment wurden Tropfen, die aus nicht mischbaren Flüssigkeiten zusammengesetzt waren, untersucht. Alle Experimente befinden sich zur Zeit in der Auswertung.

Modellexperimente unter Schwerelosigkeit zum Transport in Flüssigkeiten

Diffusionsversuche
Diffusion (Transport von atomaren Teilchen) und Konvektion (Transport durch Strömung) sind die wichtigsten physikalischen Prozesse beim Kristallwachstum und in der Metallurgie. Um die Prinzipien der Diffusion besser verstehen zu können, ist es notwendig exakte Daten über die Diffusionskoeffizienten zu erhalten.
Während die Diffusionskoeffizienten auf der Erde hauptsächlich durch Schwerekonvektion vergrößert werden, minimieren sich diese Fehler unter Mikrogravitation. Bei Experimenten auf der Raumstation MIR wurde jedoch festgestellt, dass Vibrationen des Messaufbaus ebenfalls zu einer deutlichen Erhöhung des gemessenen Diffusionskoeffizienten führen können.

Um diese Effekte zu quantifizieren wurde vorgeschlagen, Modellexperimente während eines Parabelfluges durchzuführen. Anstelle von Diffusionsexperimenten in flüssigen Metallen nutzte man den schnelleren Wärmetransport in Wasser. Die Ausgangstemperatur des Wassers betrug 80°C bzw. 5°C. Auf einer oszillierenden Experimentierplattform (vgl. Abb.1) wurden zwei Experimentaufbauten (Scherzelle & Flowing Junction Cell) installiert, die zeitgleich betrieben werden konnten.

Scherzelle
Die Grundform des Diffusionsexperiments, die bei den bis dato durchgeführten Parabelflugkampagnen getestet wurde, ist die Scherzelle.

Die in Abb. 2 dargestellte Scherzelle besteht aus zwei Plexiglasplatten - einer Oberen und einer Unteren. In den Zellen befinden sich jeweils drei Kapillaren. Sie können mit verschiedenen Flüssigkeiten befüllt werden.

Ein typischer Versuch verläuft wie folgt:

  1. Schritt (1 min vor Schwerelosigkeit)
    Die Kapillaren A & D werden mit heißem, die Kapillaren B &E mit kaltem, und die Kapillaren C & F mit gefärbtem Wasser befüllt. A und E sind mit jeweils fünf Thermoelementen bestückt.
  2. Schritt (ca. 15 sec vor Schwerelosigkeit)
    Die Befüllungsventile sowie das Ablassventil werden geschlossen.
  3. Schritt (ca. 10 sec vor Schwerelosigkeit)
    Die Verschiebung der oberen Zelle wird gestartet. Die Startzeit ist so gewählt, dass die Kapillaren sich erst nach Eintritt der Schwerelosigkeit berühren.

Nun stehen die Kapillaren A & E sowie B & F übereinander, wodurch sich heißes und kaltes sowie farbiges und farbloses Wasser mischen.

Mit Hilfe der Thermoelemente in den Kapillaren A und E werden während den Versuchen die Temperaturänderungen in verschiedenen Höhen aufgenommen. Die Beobachtungen in B & F dienen der Abschätzung des Einflusses des Scherwirbels. Beide Kapillaren werden mit einer Kamera gefilmt, um die Schergeschwindigkeit zu messen und mögliche Luftblasen zu detektieren.

Flowing Junction Cell
Mit der Flowing Junction Cell kann dynamisch d.h. durch das Gegeneinanderströmen von zwei Flüssigkeiten eine scharfe Granzfläche aufgebaut werden. Die Flowing Junction Cell besteht aus zwei Blöcken, die jeweils mit einer 4mm großen Kapillare versehen sind. An der Schnittstelle der beiden Blöcke befinden sich zwei Kanäle, durch die das Wasser austreten kann. Auch die FJC ist mit Thermoelementen bestückt, die der Aufnahme der Flüssigkeitstemperaturen dienen.

Ein typischer Versuch läuft wie folgt ab:

  1. Schritt ( 30 sec vor einer Parabel)
    Die Pumpe wird mit heißem bzw. kaltem Wasser befüllt.
  2. Schritt ( 20 sec vor der Parabel)
    Die Aufzeichnung der Messdaten wird gestartet.
  3. Schritt ( 10 sec vor einer Parabel)
    Der Kolbenmotor der Pumpe wird gestartet. Dadurch fließen die Flüssigkeiten in die FJC. Dabei strömen das heiße Wasser von oben und das kalte Wasser von unten in die Kapillaren. Die Flüssigkeiten treffen sich in der Mitte und strömen vermischt am Auslass aus. 16 Thermoelemente nehmen die Temperaturänderungen auf.

Compound Drop

Wenn sich Tropfen zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten berühren, geschehen in der Regel zwei Dinge:

  1. Eine der Flüssigkeiten umschließt die andere. (Abb. 5)
    Dies ist der Normalfall, die Flüssigkeit mit der geringeren Oberflächenspannung bildet
    die Oberfläche.
  2. Wenn sich beide Flüssigkeiten gegenseitig schlecht benetzen, können auch zwei sich berührende Teiltropfen entstehen. (Abb. 6)

Unter Schwerkraftbedingung bilden Cyclohexan und Methanol mit geringem Zusatz von Wasser eine Schichtung mit der Besonderheit, dass spezifisch schwerere Methanoltropfen auf dem Cyclohexan schwimmen können. Es soll geprüft werden, wie sich unter Schwerelosigkeit ein gemeinsamer Tropfen in diesem System ausbildet.

Dazu wurde ein Experimentaufbau entwickelt:
Die Flüssigkeiten befinden sich gemeinsam in einer Spritze und werden bei Schwerelosigkeit langsam durch eine Kanüle in einen Beobachtungsraum gedrückt.

Hierbei bildet sich ein Tropfen mit einem ungefähren Durchmesser D= 8mm, der an der Kanüle hängt. Bei Wiedereintritt der Schwerkraft löst sich der Tropfen der in diesem Moment kräftefrei ist.


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