Was haben Parabelflüge und die Internationale Raumstation ISS mit David Copperfields Zauber-Shows in Las Vegas oder dem Harry Potter-Universum gemeinsam? – Hier können millimetergroße Objekte zum Schweben gebracht werden. In den Experimentanlagen EML (Elektromagnetischer Levitator) auf der ISS und TEMPUS (Tiegelfreies elektromagnetisches Positionieren unter Schwerelosigkeit) auf den Parabelflügen der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR werden im Schwebezustand Metalle und Halbleiter berührungslos geschmolzen und untersucht.
Im Herz dieser Anlagen erzeugt eine stromdurchflossene Spule ein elektromagnetisches Feld, mit dem elektrisch leitende Proben berührungslos zum Schweben gebracht werden (s. Abbildung 1). Im Gegensatz zu herkömmlichen Schmelzöfen werden also keine Behälter benötigt, so werden die Materialien, die geschmolzen werden, nicht verunreinigt. Auf diese Weise gelingt es sogar, die Metalle bis zu mehrere hundert Grad Celsius unterhalb der Temperatur flüssig zu halten, bei der sie normalerweise erstarren (sogenannte Unterkühlung). Mit diesem Verfahren, der elektromagnetischen Levitation, können in „Schwebeschmelz-Apparaturen“ wie EML und TEMPUS präzise Messungen von Material- und thermophysikalischen Eigenschaften der flüssigen Metallschmelzen über einen Temperaturbereich bis zu 2100°C vorgenommen werden. Bei vergleichbaren Experimenten auf der Erde bringt man die Proben durch ein starkes elektromagnetisches Feld zum Schweben – und erwärmt damit die Proben, wodurch diese nicht bei niedrigen Temperaturen untersucht werden können.
Der elektromagnetische Levitator (EML) auf der ISS
Zu sehen ist der elektromagnetische Levitator (EML) eingebaut und vollständig angeschlossen im European Drawer Rack (EDR) auf der ISS. Im EML können Metalle frei schwebend geschmolzen und untersucht werden.
Sowohl ISS-EML als auch die EML-TEMPUS-Anlage werden von vielen Forschungsteams genutzt, da sie für unterschiedlichste Materialien und wissenschaftliche Fragestellungen verwendet werden können. Neben einer Hochgeschwindigkeitskamera, die Aufnahmen der fortschreitenden Erstarrung aus der unterkühlten Schmelze ermöglicht, besteht die Möglichkeit, die elektrische Leitfähigkeit und Dichte der festen und flüssigen Proben zu messen. Durch Veränderungen des Heizfeldes können die flüssigen Proben zum Schwingen angeregt werden. Dadurch können thermophysikalische Eigenschaften wie Viskosität und Oberflächenspannung ermittelt werden. Zusätzlich können Proben auch mit einer Infrarotkamera beobachtet werden.
Die Ergebnisse der Forschung im Weltraum werden auf der Erde genutzt, um beispielsweise Prozesse in Gießereien zu optimieren, oder die Qualität von Gussteilen zu erhöhen und Kosten zu reduzieren.
Die EML-ISS Anlage wurde als Gemeinschaftsprojekt im Auftrag der Europäischen Weltraumorganisation ESA und dem DLR von Airbus Defence & Space entwickelt und 2014 von ESA-Astronaut Alexander Gerst auf der ISS installiert. Sie befindet sich im europäischen Columbus-Modul. Die Anlage wurde seitdem stets auf dem neuesten Stand der Wissenschaft gehalten und mit anderen Funktionen erweitert. Die EML-Probenkammer enthält 18 Proben (eine sogenannte Probencharge).
Alexander Gerst installiert den Elektromagnetischen Levitator auf der ISS
ESA-Astronaut Alexander Gerst beim Absägen eines festsitzenden Bolzens, mit dem die Hardware des Elektromagnetischen Levitators (EML) für den Start gesichert wurde. Die EML-Anlage befindet sich seit 2014 auf der ISS. Sie ermöglicht, Materialien in Schwerelosigkeit zu schmelzen und zu untersuchen. Die Ergebnisse können bei Experimenten auf der Erde nicht ermittelt werden.
Elektromagnetischer Levitator (EML): Schmelzen in Schwerlosigkeit
In der EML-Anlage (Elektromagnetischer Levitator) können Materialien in Schwerelosigkeit geschmolzen werden, während sie frei im Raum schweben. Hierdurch werden die Proben nicht durch einen Schmelzbehälter verunreinigt. Außerdem können die Proben in einem flüssigen Zustand gehalten werden, obwohl ihre Temperatur weit unter den eigentlichen Schmelzpunkt absinkt. Im Bild hält das elektromagnetische Feld der Spule eine flüssige Probe in der Schwebe.
Die TEMPUS-EML-Parabelfluganlage wurde im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR gebaut und wird durch das DLR-Institut für Frontier Materials auf der Erde und im Weltraum kontinuierlich weiterentwickelt. Sie fliegt regelmäßig während der DLR-Parabelflugkampagnen mit, für die sich Forschende mit Experimentvorschlägen bewerben können. Die Experimente an TEMPUS während der Parabelflugkampagnen dienen zum einen der Vorbereitung zukünftiger Experimente auf der ISS. Zum anderen sollen mit ihnen grundlegende wissenschaftliche Fragestellungen aus dem Bereich der thermodynamischen Eigenschaften metallischer und halbleitender Schmelzen sowie des Erstarrungsverhaltens geklärt werden.
