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CCF: Strömungsexperiment auf der Internationalen Raumstation steht vor Verlängerung

17 October 2011

Die zweite Phase des Strömungsforschungsexperimentes Capillary Channel Flow (CCF) ist am 17. Oktober 2011 zu Ende gegangen. Eigentlich wäre damit das deutsch-amerikanische Kooperationsprojekt vorbei. Doch die NASA signalisierte großes Interesse an einer Weiterführung dieser Forschung. Dementsprechend besteht Hoffnung auf eine Fortsetzung von CCF im Frühjahr 2012.

 NASA-Astronaut Scott Kelly mit CCF-Anlage
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Deutsche und amerikanische Wissenschaftler sind bei der Datenauswertung auf Effekte gestoßen, die zuvor noch nie beobachtet wurden. Die vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) unterstützte Versuchsreihe trägt dazu bei, das Strömungsverhalten von Flüssigkeiten unter dem Einfluss der Schwerelosigkeit besser zu verstehen.

Das auf der Internationalen Raumstation ISS durchgeführte Experiment wird direkt vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen und der Portland State University (PSU) von der Erde aus gesteuert. Für die Steuerung der Experimente und die Datenauswertung sind für das ZARM Prof. Michael Dreyer und für die PSU Prof. Mark Weislogel verantwortlich.

Raumsonden, Fernsehsatelliten oder zukünftige bemannte Raummissionen sind darauf angewiesen, dass der Flüssigkeitstransport an Bord von Weltraumfahrzeugen zuverlässig abläuft. Das gilt sowohl für Treibstoffe als auch für Wasser und verflüssigte Gase. Auf der Erde treten für gewöhnlich keine Probleme auf, da Benzin in einem Autotank dank der Erdanziehung immer am Boden schwappt. Unter Schwerelosigkeit hingegen verteilt sich der Treibstoff überall im Behälter.

Genau hier setzt das CCF-Experiment an, das sich in zwei Phasen unterteilte. In der ersten Experimentphase im Januar 2011 ging es um die Frage, wie es im All möglich ist, Flüssigkeiten durch spezielle Kanäle strömen zu lassen, ohne dass der Flüssigkeitsstrom abbricht und dadurch Gasbläschen aus der Umgebung in die Flüssigkeit eindringen. Dabei wurde konkret untersucht, welche Strömungsgeschwindigkeiten bei verschieden geformten Kanälen erreicht werden können, ohne dass der Flüssigkeitsstrom instabil wird und der sogenannte "Choking-Effekt" auftritt. Die Apparatur selbst besteht aus einer Pumpe, die aus einem Tank Modellflüssigkeiten durch seitlich offene Leitungen – die sogenannten Kapillarkanäle – saugt. In Experimenteinheit 1 bestehen diese Leitungen aus parallelen, in Experimenteinheit 2 aus V-förmigen Glasplatten. Nach der Halbzeit wurden diese Einheiten ausgetauscht.

 Strömungsverhalten unter Schwerelosigkeit
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Neue Erkenntnisse für innovative Treibstoffleitungen

In der zweiten Phase wurde erforscht, wie bereits eingedrungene Gasbläschen zur Oberfläche zurück transportiert und dadurch wieder von der Flüssigkeit getrennt werden können. Die Forscher suchen bei dem Versuch nach einer Trennungsstrategie für ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch unter Schwerelosigkeit.

Auf der Erde steigen die Gasblasen automatisch durch den Auftrieb an die Oberfläche, wie etwa bei dem Öffnen einer Mineralwasserflasche zu beobachten ist. Unter Schwerelosigkeit hingegen erfolgt die Trennung von Luft- und Flüssigkeit nicht automatisch sondern muss aktiv durch Zentrifugieren oder ähnliche aufwendige Maßnahmen erreicht werden. Dies ist jedoch umständlich. Wie sich bei dem CCF-Experiment herausstellte, kann die Trennung ganz einfach erfolgen. Nimmt man eine V-förmige Geometrie des Kapillarkanals und nimmt die richtige Strömungsgeschwindigkeit, dann erfolgt die Trennung von alleine aufgrund von Kapillarkräften.

Mit diesen Erkenntnissen hoffen die Wissenschaftler Modelle für maßgeschneiderte Treibstoffleitungen entwickeln zu können. Diese sollen flüssigen Treibstoff im Tank bei einer orbitalen Zündung des Raketentriebwerks optimal zur Auslassöffnung befördern und dem Triebwerk blasenfrei zur Verfügung stellen. Die Stoffeigenschaften der Modellflüssigkeit wie Zähigkeit, Dichte und Oberflächenspannung sind so gewählt, dass sie in Kombination mit der Geometrie des Testkanals realen Treibstofftransporten sehr ähnlich sind. Dadurch sind die Ergebnisse vom Modell auf der ISS leicht auf eine Anwendung im Raumfahrzeugtank übertragbar. Dafür modellieren die Forscher anhand von Gleichungen der Strömungsmechanik mathematisch, welche Kräfte wirksam sind und wie diese zusammenspielen. Diese theoretischen Berechnungen können nur durch Experimente unter Schwerelosigkeit bestätigt werden.

Bilaterale Kooperation

Dieses Projekt ist eine bilaterale Kooperation zwischen dem DLR und der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA. Die US-amerikanische Seite ist für den Transport der Apparatur zur ISS, deren dortigen Betrieb und das Astronautentraining verantwortlich. Deutschland stellt die Apparatur für den Bordeinsatz, die von der Firma EADS Astrium in Friedrichshafen gebaut wurde, sowie ein Ingenieurs- und Trainingsmodell zur Verfügung.


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