25 Jahre TEMPUS auf der 46. DLR Parabelflugkampagne

TEMPUS ist eine Experimentanlage zur elektromagnetischen Levitation (EML), die von unserem Institut, gewartet und kontinuierlich weiterentwickelt wird. In TEMPUS werden metallisch leitende, kugelförmige Proben in einer Spule durch ein elektromagnetisches Wechselfeld in der Schwebe gehalten, aufgeschmolzen und vermessen.
Untersucht werden sowohl thermophysikalische Eigenschaften der Schmelze wie Viskosität, Oberflächenspannung, Dichte und elektrische Leitfähigkeit, als auch das Erstarrungsverhalten, d.h. Messung der Geschwindigkeit und Form der Erstarrung sowie der nachträglichen Analyse der Mikrostruktur von unterkühlt erstarrten Proben.

Forschung unter Schwerelosigkeit vs. Forschung auf der Erde

Im Gegensatz zu erdgebundenen Anlagen sind aufgrund der fehlenden Schwerkraft, während der ca. 21 Sekunden jeder Parabel, nur kleine Kräfte bzw. Felder vonnöten, um die Probe auf Position zu halten. Das behälterfreie Verfahren ermöglicht es auch Messungen reaktiver Materialen sowie im metastabilen Zustand der unterkühlten Schmelze durchzuführen.

Die Experimente wurden im Januar 2026 ausgewählt und seitdem intensiv durch unsere Expertinnen und Experten vorbereitet. Die Flüge wurden am Flughafen Bordeaux-Merignac durch Novespace in dem Flugzeug „Airbus A310 Zero-G“ durchgeführt. Der Einbau der Anlage in den Airbus nahm eine Woche in Anspruch, in der zweiten Woche wurden die Flüge an drei aufeinander folgenden Tagen durchgeführt und die Experimente hinsichtlich der Erfahrungen der ersten Flugtage optimiert.

Institut für Frontier Materials auf der Erde und im Weltraum:

• La-Al-Cu: mehrfache amorphe Zustände in La–Al–Co-Glasbildnern zur Bestimmung von Flüssig-Flüssig-Umwandlungswegen (mit Universitat Politècnica de Catalunya),
• Fe-Si: Mikrostruktur, Leitfähigkeit und Wirkung der Sauerstoff-Adsorption durch die Messung der Oberflächenspannung einer Fe-6.5wt%Si-Probe (mit Korea University),
• Al-Ge-Si: Mikrostrukturanalyse der Dendritenorientierung der unterkühlt erstarrten Schmelze bei verschiedenen Zusammensetzungen,
• Fe-Ni-P: Rolle von Phosphor und starker Unterkühlung in Fe-Ni-Schmelzen unter Mikrogravitation zur Erforschung metastabiler Umwandlungswege zu Tetrataenit (mit Erich Schmid Institute of Materials Science in Leoben),
• Fe-Zr: Viskosität von Zr-Fe-Legierungen,
• GRCop-42: oxidationsabhängige Oberflächenspannung und Viskosität in GRCop-42 Flüssigkeiten unter Mikrogravitation für die additive Fertigung (mit University College London),
• Cu-Hf-Cr: Erstarrung und die thermophysikalischen Eigenschaften innovativer CuHfCr-Legierungen, die in Hochtemperaturumgebungen widerstandsfähig sind (mit DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte),
• Ni-Si: Nicht-Arrhenius-Verhalten oberhalb des Schmelzpunktes in Ni₇₇Si_23,

DLR-RFM:

• Fe-Si-B-Nb-Ni-Cr: Glasbildner für 3D-Druckanwendungen von amorphen Rotoren und Statoren (Universität des Saarlandes),
• Zr-Cu-Ni-Al-Ti: temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit von Metallglasbildnern auf Zr-Basis unter Mikrogravitation (Universität des Saarlandes),
• Zr-Cu-Ni-Al: Viskosität und Oberflächenspannung bei hohen Temperaturen im flüssigen Zustand der glasbildenden Legierung Zr₆₅Cu₁₅Ni₁₀Al₁₀ für die additive Fertigung (Universität des Saarlandes),
• Zr-Cu-Ni: Untersuchung der Erstarrung und Eigenschaften der glasbildenden Legierung (Universität Jena),

Letztendlich werden die Video- und Anlagendaten in einem Datenarchiv archiviert, über welches die Forschenden ihre Daten über das Internet runterladen können. Das Archiv beruht auf der Hypertest Architektur und wird vom Microgravity User Support Center (MUSC) betrieben.

Ein Grund zum Feiern: 25 Jahre TEMPUS

TEMPUS wird seit 2001 auf Parabelflügen der Firma Novespace mit dem A300 Zero-g und A310 Zero-g betrieben, damit ist es mit Unterbrechungen seit 25 Jahren im Einsatz. Von 2001 bis 2008 wurde die TEMPUS Anlage von Airbus DS aufgebaut und im Flug betrieben, das DLR war für die Experimentplanung und seit 2004 für die Aufzeichnung digitaler Kameradaten verantwortlich. Die TEMPUS Parabelfluganlage ist eine Weiterentwicklung der TEMPUS Spacelab Anlage, die in den IML-2 (1994) und MSL-1 / MSL-1 R (1997) Experimenten auf dem Space Shuttle zum Einsatz kam.

Neue Entwicklungen, vielfältigere Möglichkeiten

2001 gab es nur analoge Kameras, deren Video auf Videokassetten gespeichert wurden, die 2004 von digitalen Kameras abgelöst wurden. Nach 2013 wurde das gesamte Videosystem auf neuere leistungsfähigere Kameras aufgerüstet so kommt jetzt für die seitliche Ansicht eine Phantom v7.11 Higspeed Kamera zum Einsatz (bis zu 40000Ht), das axiale recording System ARES erfasst die Probentemperatur axial berührungsfrei mit einem Sensortherm Metis M316 Pyrometer und die Videos werden von einer Mikrotron EoSens mit bis zu 2000 Hz erfasst. Zusätzlich wurde eine IR Kamera (IRCAM Velox) zur Beobachtung tiefschmelzender Legierungen adaptiert.

Eine weitere wichtige Neuerung ist die SCE (Sample Coupling Electronics), welche die elektrische Leitfähigkeit der Proben messen kann und zudem zur Analyse der Oberflächenoszillationen genutzt werden kann. Diese Elektronik wird stetig weiterentwickelt, um die Genauigkeit der Messungen weiter zu erhöhen. Die SCE erlaubt auch im Flug eine Beurteilung der Probenschwingungen und eine Optimierung derselben.

Neben den „klassischen“ Experimenten wurden auch diverse technologische Herausforderungen gemeistert. So wurden z.B. auch Halbleiter prozessiert, dotiert und undotiert und dabei per Laser vorgeheizt. Es wurden Experimente adaptiert, um Abdampfraten mittels Knudsenzelle zu messen. Die Kräfte in einer erstarrenden Probe konnten an diversen Aluminiumlegierungen mittels Faser Bragg Gitter gemessen werden.

Die Flüge finden typischerweise bei Novespace in Bordeaux statt, aber es wurden auch zwei Kampagnen von Köln-Bonn durchgeführt, sowie während der Corona Pandemie zwei Kampagnen von Paderborn.

Insgesamt wurde TEMPUS in 24 Kampagnen und insgesamt 2673 Parabeln eingesetzt!

Link zur Publikation: https://pubs.aip.org/aip/rsi/article/95/5/053903/3293189/TEMPUS-A-microgravity-electromagnetic-levitation