TEMPUS Parabelfluganlage

In der Anlage können elektrisch leitende Proben mit Durchmessern von sechs bis acht Millimetern in einer stromdurchflossenen Spule zum Schweben gebracht, erhitzt und aufgeschmolzen werden. Da die Proben frei in der Spule schweben, wird im Gegensatz zu herkömmlichen Schmelzprozessen in Öfen kein Behälter (Tiegel) benötigt. Die teilweise chemisch äußerst reaktionsfreudigen Metallschmelzen kommen daher nicht in Berührung mit dem Tiegelmaterial. Dadurch werden sie nicht verunreinigt und es gelingt sogar, die Metalle bis zu mehrere hundert Grad Celsius unterhalb ihres Erstarrungspunktes flüssig zu halten (Unterkühlung) – aufgrund der Abwesenheit von Nukleationskeimen. Prozessiert wird typischerweise in einer zuvor evakuierten Ultrahochvakuumkammer unter Schutzgasatmosphäre, d.h. unter Argon beim Aufheizen und Helium zur beschleunigten Abkühlung. Auch das gerichtete und über den Massenfluss geregelte direkte Anblasen der Probe mit Heliumgas (Forced-Gas-Cooling) durch den Probenhalter ist möglich. Dazu werden an den Flugtagen zwei Probenkammern im Wechsel betrieben, die jeweils ein Probenmagazin mit 9 Probenplätzen beinhalten, von denen jedoch eine den Anschluss für das Forced-Gas-Cooling besitzt. Anders als im Erdlabor wird unter Schwerelosigkeit ein Spulensystem verwendet, welches in Superposition sowohl ein Quadrupolfeld zur Positionierung der Probe ins Feldzentrum, als auch ein Dipolfeld zum Aufheizen der Probe ermöglicht. Das Heizfeld ist dabei um eine Größenordnung stärker als das Positionierfeld. Die Kräfte, die durch das Dipol-Heizfeld auf die Probe wirken, führen zu einem „Quetschen“ der Probe, d.h. im flüssigen Zustand zu einer vertikalen Elongation.

Die elektromagnetische Levitation ermöglicht es, über einen weiten Temperaturbereich präzise Messungen von Material- und thermophysikalischen Eigenschaften der flüssigen Metallschmelze durchzuführen. Die Kenntnis dieser Materialdaten ermöglicht beispielsweise die Optimierung technischer Gießprozesse oder die Produktion von magnetischen Werkstoffen. Ferner gehören Glasbildner, Hochentropielegierungen und Systeme im Kontext additiver Fertigungsmethoden zu den prominenter werdenden Probensytemen.

Unter Schwerelosigkeit sind zur Positionierung der Proben in der Spule weit schwächere Magnetfelder nötig als unter herkömmlichen Bedingungen auf der Erde. Dadurch kann das Heizfeld nach dem Schmelzen der Probe deutlich reduziert oder vollständig abgeschaltet werden und somit der Temperaturbereich, in dem flüssige Proben untersucht werden können, zu niedrigeren Temperaturen hin ausgedehnt werden. Es verbleibt dann nur noch das Positionierfeld, welches lediglich schwache Rührkräfte in der flüssigen Probe erzeugt, so dass die Schmelze annähernd ungestört beobachtet werden kann. Dies wirkt sich positiv auf die Genauigkeit einiger Messmethoden und die daraus gewonnenen Materialdaten aus.

Die TEMPUS-Anlage wurde im Auftrag der Dutschen Raumfahrtagentur im DLR aufgebaut und wird durch das Institut für Materialphysik im Weltraum des DLR regelmäßig weiterentwickelt. Sie verfügt über umfangreiche berührungsfreie Diagnosemöglichkeiten. Neben der Hochgeschwindigkeitskamera, die Aufnahmen der fortschreitenden Erstarrungsfront aus der unterkühlten Schmelze ermöglicht, besteht über eine spezielle Kopplungselektronik (SCE - Sample Coupling Electronic) die Möglichkeit der elektrischen Leitfähigkeits- und Dichtemessung der festen und flüssigen Proben. Dazu werden an jedem Flugtag Leerspulmessungen vor Parabel #0, nach Parabel #15 und nach Parabel #30, sowie an Tagen mit Nutzung zur Leitfähigkeitsmessung eine Kalibrationsmessung an einer Zirkonium-Referenzprobe durchgeführt, typischerweise in Parabel #14 oder Parabel #16.

Durch Pulsen oder Modulieren des Dipol-Heizfeldes können die flüssigen Proben zum Schwingen angeregt werden. Dadurch können thermophysikalische Eigenschaften wie Viskosität (aus der Dämpfung) und Oberflächenspannung (aus der Schwingungsfrequenz) ermittelt werden. Neben einer Hochgeschwindigkeitskamera können tiefschmelzende Proben auch mit einer Infrarotkamera beobachtet werden, welche häufig parallel zur Hochgeschwindigkeitskamera in einem Setup über einen Strahlteiler verwendet wird.

Die Parabelflug-Experimente dienen einerseits der Vorbereitung künftiger Experimente im elektromagnetischen Levitator (EML) auf der internationalen Raumstation ISS, sowie andererseits der Klärung grundlegender wissenschaftlicher Fragestellungen aus dem Bereich der thermodynamischen Eigenschaften metallischer und halbleitender Schmelzen sowie des Erstarrungsverhaltens und der zugrundeliegenden Mikrostruktur.

Die Anlage wird seit 13 Jahren vom DLR Institut für Materialphysik im Weltraum betrieben. Sie wurde in dieser Zeit kontinuierlich weiterentwickelt und umfassend modernisiert.

Im Rahmen der 45. DLR Parabelflugkampagne werden sehr unterschiedliche Probensysteme bezüglich ihrer thermophysikalischen Eigenschaften sowie der Erstarrungskinetik und der erstarrten Mikrostruktur untersucht. Dies geschieht mit internationaler Beteiligung von Forschungseinrichtungen und Wissenschaftlern aus Deutschland, England, den USA und Korea. Aus Deutschland sind die Universitäten aus Jena und dem Saarland beteiligt, sowie die Technische Universität Dortmund.

Lippmann et al. (Uni Jena) untersuchen die glasbildenden Systeme Zr-Cu-Ni-Ti und Zr-Cu-Ni. Bei der Erstarrung sind Datenpunkte zum Vergleich beider Systeme von Interesse. Für die tiefschmelzenden Systeme kommt eine Wärmebildkamera zum Einsatz.

Steinbach, Munk et al. (DLR-FM, TU Dortmund, Uni Manchester) untersuchen im Rahmen des STARGATE Projekts die thermophysikalischen Eigenschaften, sowie die Mikrostruktur einer Fe-Cr-Ni-Mo-Mn Stahllegierung.

Busch, Ghavimi und Adam (Uni Saarland) untersuchen Oberflächenspannung und Viskosität der Glasbildner-Systeme Fe-Si-B-Nb-Ni im Hochtemperaturbereich.

Bracker, Krizan et al. (WPI, USA) untersuchen im Rahmen des EXCALIBUR Projekts die Strömung im zwei-Phasen-Gebiet einer unterkühlten Fe-Cu Schmelze, die durch verschiedene Anregungsformen für Schwingungen entstehen.

Brillo und Lee (Korea University) untersuchen die Mikrostruktur, Leitfähigkeit und Wirkung der Sauerstoff-Adsorption durch die Messung der Oberflächenspannung einer Fe-3wt%Si-Probe.

Holland-Moritz (DLR-FM) untersucht im Rahmen des ICOPROSOL Projekts die elektrische Leitfähigkeit und weitere thermophysikalische Eigenschaften einer Ti-Zr-Ni Legierung. Ferner dient dieser Flug der Qualifizierung für weitere Untersuchungen im elektromagnetischen Levitator auf der ISS.