GraSCha – Granular Sound Characterization: Experimentanlage zur Messung des Schalltransports in Granulaten
OHB
Granulare Medien wie Sand, Getreide oder Kies werden weltweit im großen Maßstab verarbeitet. Gerade in industriellen Prozessen ist es wichtig, ihre Eigenschaften genau zu kennen, um ihr Verhalten voraussagen zu können.
Granulate unterscheiden sich von herkömmlichen Festkörpern dadurch, dass einzelne Teilchen in Bewegung gebracht werden können. Unter Einfluss der Schwerkraft fließen sie im Kollektiv, beispielsweise Sand in einer Sandmühle, Eiskristalle in Lawinen oder Steine in einem Erdrutsch. Fehlt diese äußere Anregung, verliert das Granulat seine Energie durch die Stöße der einzelnen Teilchen miteinander und es kommt zur Ruhe. Dieses Verhalten granularer Medien kann nicht nach der klassischen Thermodynamik beschrieben werden.
Auf der Erde lässt sich auch der Druck auf die einzelnen Granulatpartikel in einem Gefäß nicht einfach beschreiben. Wie bei Flüssigkeiten herrscht am Boden ein höherer Druck als oben. Der genaue Verlauf des Drucks hängt hier im Gegensatz zu Flüssigkeiten wesentlich von Reibungseffekten zwischen den Partikeln ab. Diese inhomogene Druckverteilung ergibt sich aus der Schwerkraft, die auf die Partikel wirkt, und verursacht auch eine inhomogene Verteilung der Kugeln. In Schwerelosigkeit sind diese Störfaktoren nicht vorhanden, die Kugeln verteilen sich stets homogen im Gefäß.
Experiment GraSCha: Wie verhalten sich Granulate in Schwerelosigkeit?
Ziel des GraSCha-Experiments ist es, Erkenntnisse über die innere Struktur von Granulatpackungen zu erhalten. Das Experiment besteht aus einem Kasten, der mit kleinen Glaskugeln gefüllt ist. Eine Wand der Probenzelle kann bewegt und so der Druck auf die Glaskugeln eingestellt werden. Abhängig vom Druck bildet sich eine unterschiedlich lose oder dichte Kugelpackung aus. Die Forschenden geben Schallsignale auf die unterschiedlich dichten Kugelpackungen. Aus der Zeit, die der Schall für den Weg durch die Kugeln braucht, wird die Schallgeschwindigkeit ermittelt. Daraus kann man Rückschlüsse ziehen: Einerseits auf die innere Struktur der Packung, andererseits auf die sogenannte Druckabhängigkeit, also darauf, wie sich die Granulatteilchen bei höherem Druck gegenseitig zunehmend blockieren. Dabei ist vor allem der Bereich interessant, in dem die einzelnen Teilchen ihren gegenseitigen Kontakt verlieren. Bekannte Phänomene auf der Erde sind: Sand beginnt zu rieseln oder ein Erdrutsch löst sich.
Simulation des Schalltransports durch ein Granulat im Experiment GraSCha
Die Simulation zeigt ein Granulat (graue Kreise) in einem Behälter. Die weiße senkrechte Linie links stellt eine Platte dar, die die Partikel gleichmäßig anstößt. So wandert eine Druckwelle von links nach rechts durch die Granulatpackung. Die hellen Linien zeigen sogenannte „Kraftketten“, also die Kräfte, die zwischen den einzelnen Partikeln wirken. An den Stellen, an denen keine Kraftkette zu sehen ist, berühren sich die Partikel nicht, obwohl es augenscheinlich anders ist. Im Experiment GraSCha wird dieses Phänomen und das Verhalten von Granulaten im Allgemeinen untersucht. Es findet von 2025 bis 2026 auf der Internationalen Raumstation ISS statt. Nur in Schwerelosigkeit lässt sich im Granulat ein durchgängig gleicher Druck realisieren, auf der Erde sind genaue Messung aufgrund der Schwerkraft nicht möglich.
Ziel des Experiments GraSCha (Granular Sound Characterization) ist es, Erkenntnisse über die innere Struktur von Granulatpackungen zu erhalten. Dabei ist vor allem der Bereich interessant, in dem die einzelnen Teilchen ihren gegenseitigen Kontakt verlieren. Bekannte Phänomene auf der Erde sind: Sand beginnt zu rieseln oder ein Erdrutsch löst sich. Das Experiment besteht aus einem Kasten, der mit kleinen Glaskugeln gefüllt ist. Eine Wand der Probenzelle kann bewegt und so der Druck auf die Glaskugeln eingestellt werden. Abhängig vom Druck bildet sich eine unterschiedlich lose oder dichte Kugelpackung aus. Die Forschenden geben Schallsignale auf die unterschiedlich dichten Kugelpackungen. Aus der Zeit, die der Schall für den Weg durch die Kugeln braucht, wird die Schallgeschwindigkeit ermittelt. Daraus kann man Rückschlüsse ziehen: Einerseits auf die innere Struktur der Packung, andererseits auf die sogenannte Druckabhängigkeit, also darauf, wie sich die Granulatteilchen bei höherem Druck gegenseitig zunehmend blockieren.
Das Experiment wird von 2025 bis 2026 auf der Internationalen Raumstation ISS durchgeführt werden. Es wurde vom DLR-Institut für Frontier Materials auf der Erde und im Weltraum und der Universität Köln entwickelt. Der Bau der ISS-Experimentanlage wurde im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR von OHB durchgeführt.
