Thermo-elektrohydrodynamische Konvektion unter Schwerelosigkeit Dielektrophoretisch induzierte Konvektion (DEPIK)
Unsere Experimente konzentrieren sich auf die Untersuchung der thermischen Konvektion in einem dielektrischen Fluid innerhalb eines begrenzten Hohlraums unter dem Einfluss eines elektrischen Kraftfeldes. Wenn ein dielektrisches Fluid einem elektrischen Feld und einer Temperaturdifferenz ausgesetzt wird, entsteht eine dielektrophoretische (DEP) Kraft, die eine Bewegung des dielektrischen Fluides erzeugen kann. Dieser Effekt kann bei der Entwicklung und Optimierung von Wärmetauschern genutzt werden, insbesondere mit dem Fokus auf die Nutzung unter Mikrogravitation.
Unter Laborbedingungen führt das Anlegen eines elektrischen Feldes zu einer Überlagerung von zwei Kräften, die auf das dielektrische Fluid wirken. Unter Mikrogravitationsbedingungen wird der "archimedische" Auftrieb jedoch vernachlässigbar. Das durch die hohe elektrische Spannung erzeugte Kraftfeld ist dann der einzige Mechanismus, der für die Entstehung von Strömungen in dem kreisförmigen oder ebenen Spalt sorgt. Die sich ergebende Strömung kann durch Steuerung der Parameter angelegter elektrischen Spannung kontrolliert und leicht ein- und ausgeschaltet werden.
Je nach Spaltgeometrie ist die Stärke und Form der DEP-Kraft unterschiedlich. In der Tat ist die DEP-Kraft in einem ebenen Spalt geringer, da das elektrische Feld wesentlich homogener ist. Beide Spaltgeometrien sind jedoch für technische Anwendungen wichtig und werden in unserem Experiment gleichzeitig verwendet, um Erkenntnisse über den optimalen Parameterraum zur Verbesserung des Wärmetransports zu gewinnen.
In der geplanten Parabelflugkampagne werden wir eine experimentelle Anlage mit zwei verschiedenen Spaltgeometrien verwenden: eine Zylinder- und eine Plattenspaltzelle. Um die Inhomogenität des elektrischen Feldes in den Spalten zu verstärken, wurden die Spaltgeometrien entweder durch eine periodische Wandstrukturierung (Zylinderspaltzelle) oder durch die Einführung gerundeter Stäbe in den Spalt (Plattenspaltzelle) modifiziert.
Zur Messung des Strömungsfeldes in dem Spalt einer oder anderer Geometrie wird ein Mehr-Ebenen-Particle-Image-Velocimetry-Verfahren (PIV) eingesetzt. Zusätzlich kommen Temperatur- und Wärmestromsensoren zum Einsatz, um den Wärmeübergang infolge der durch die DEP Kraft induzierten Konvektion direkt zu messen.
Die in den Experimenten gewonnenen Erkenntnisse sollen zum grundlegenden Verständnis thermoelektrodynamischer Strömungsprozesse dielektrischer Fluide im elektrischen Wechselspannungsfeld sowie zum besseren Verständnis des Übergangs von stabilen zu instabilen Strömungszuständen beitragen. Darüber hinaus kann die Erzeugung einer steuerbaren elektrischen Konvektion im Fluid, insbesondere unter μg\mu gμg-Bedingungen, auch für technische Anwendungen unter Erdbedingungen relevant sein.
Ein weiteres Ziel des DEPIK-Projekts ist die Untersuchung der Wärmeübertragung in Versuchszellen unterschiedlicher Geometrie, die Optimierung der experimentellen Parameter sowie die Validierung der Messmethode und der dielektrischen Fluiden im Hinblick auf ein mögliches zukünftiges TEXUS-Experiment im Jahr 2027.