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ISS
Blasenfreies Zapfen im Erdorbit
Redaktion / Pressemitteilung des DLR
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12. September 2014

Auf der Internationalen Raumstation ISS wurden in dieser Woche eine Reihe von Experimenten erfolgreich abgeschlossen, mit deren Hilfe das Tanken im All einmal deutlich besser funktionieren könnte. Eines der wichtigsten Ergebnisse der Versuche: Die theoretischen Modelle der Forscher über das Strömungsverhalten in Schwerelosigkeit haben sich bestätigt.

CCF-Experiment

Das CCF-Experiment: Zu erkennen sind das Experimentmodul mit dem Strömungskanal (in schwarz), die Kameras, die das Signal direkt zum Boden übertragen und der Steuerungscomputer (silberfarben). Foto: NASA [Großansicht]

Blasenfrei Treibstoff zapfen: Das ist kein Problem an der Tankstelle um die Ecke - sehr wohl aber im Weltraum, wo es keine Schwerkraft gibt. In dieser Woche ging die vierte und letzte Experimentserie des Strömungsexperimentes Capillary Channel Flow (CCF) auf der Internationalen Raumstation ISS zu Ende, die am 5. August 2014 begonnen hatte.

In dem Kooperationsprojekt der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde NASA und des Raumfahrtmanagements des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben Wissenschaftler das Strömungsverhalten von Flüssigkeiten unter Schwerelosigkeit erforscht, um wichtige Erkenntnisse für die Raumfahrttechnologie, aber auch für Anwendungen auf der Erde - etwa in der Biomedizin - zu gewinnen.

Bei allen Systemen an Bord von Weltraumfahrzeugen, die eine Flüssigkeit enthalten, wie etwa Trinkwasserbehälter, Toiletten oder Treibstofftanks, können Probleme durch die Bildung von Luftblasen entstehen. Im Benzintank eines Autos kann dies nicht passieren, denn durch die Erdschwerkraft sammelt sich der Treibstoff immer am Boden des Tanks. So kann er zum Motor gepumpt werden, ohne dass Luft mit eingesogen wird.

In einem Raumfahrzeug jedoch kann der Treibstoff im Tank aufgrund der Schwerelosigkeit unkontrolliert umherschwappen. An welcher Stelle im Tank befindet sich dann der restliche Treibstoff? Wie kann er unter diesen Bedingungen sicher zu den Steuerdüsen transportiert und die Treibstoffleitungen blasenfrei gehalten werden?

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Zurzeit wird das Problem dadurch gelöst, dass die Tanks einfach größer konstruiert sind und mehr Treibstoff eingefüllt wird, als eigentlich benötigt wird. Hierdurch erhöhen sich jedoch das Gewicht und das Volumen der Raumfahrzeuge und damit auch die Kosten für den Start. Eine andere Möglichkeit besteht darin, spezielle kanalartige Strukturen in die Tanks einzubauen, die den Treibstoff durch Kapillarkräfte zum Tankauslass befördern, wo er dann abgepumpt werden kann.

Genau hier setzt das CCF-Experiment an: Wissenschaftsteams unter Leitung von Prof. Michael Dreyer vom ZARM-Institut der Universität Bremen und von Prof. Mark Weislogel von der Portland State University untersuchen damit, wie sich unterschiedliche Formen von Treibstoffkanälen und Pumpgeschwindigkeiten auf den Flüssigkeitsstrom auswirken.

Im Fokus der aktuellen Experimentkampagne stand vor allem das Phänomen der Wellenbildung auf den Kanälen. Ziel war es herauszufinden, ob das Entstehen von Wellen auf der Oberfläche der Flüssigkeit in Zusammenhang steht mit der Stabilität der Flüssigkeitsströmung. Außerdem untersuchten die Wissenschaftler noch einmal genau, wie die Trennung von Gasblasen und Flüssigkeit unter Schwerelosigkeit funktioniert. Während der gesamten 37-tägigen Kampagne wurde die CCF-Experimentanlage von Kontrollräumen in Bremen und Portland aus ferngesteuert betrieben.

Das CCF-Experiment wurde insgesamt nahezu sechs Monate lang erfolgreich auf der Internationalen Raumstation ISS betrieben und hat eine enorme Fülle von Daten geliefert. Obwohl diese noch nicht alle ausgewertet sind, steht das für praktische Anwendungen wichtigste Ergebnis schon jetzt fest: Die theoretischen Modelle zur Berechnung des Verhaltens von Strömungen in Kapillarkanälen unter Schwerelosigkeit, welche die Forscher bereits im Vorfeld entwickelt hatten, konnten durch die Experimente voll bestätigt werden.

Damit ist es jetzt möglich, das Strömungsverhalten mittels Computerprogrammen zuverlässig zu berechnen. Außerdem konnten die Wissenschaftler in Tests nachweisen, dass Luftblasen, die bereits in der Strömung vorhanden sind, durch bestimmte Kanalformen auch in Schwerelosigkeit automatisch entfernt werden.

Die Grundlagen, die das CCF-Experiment liefert, können zukünftig dazu dienen, das Design von Raumfahrzeugen zu optimieren und dadurch Kosten einzusparen. Die bessere Treibstoffverfügbarkeit würde außerdem die Lebensdauer von Satelliten verlängern, weil sie länger auf ihrer Position gehalten werden können. Besonders bei wiederzündbaren Raketenoberstufen ist es wichtig, dass sich der Treibstoff zur richtigen Zeit am richtigen Ort befindet, damit die Mission ihr Ziel erreicht. Aber auch auf der Erde könnten die Erkenntnisse von Interesse sein, etwa bei der Verbesserung der Flüssigkeitsströmungen in sogenannten Bio-Chips für biologische Gesundheits-Screening-und Analysemethoden.

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siehe auch
 
ISS: Altes Experiment liefert wieder Daten - 10. Juli 2013
ISS: Neues über das Strömungsverhalten im All - 1. April 2011
ISS: Neue Versuchsanlage nimmt Betrieb auf - 3. Januar 2011
Raumfahrttechnologie: Flüssigkeiten in Schwerelosigkeit - 24. Juli 2007
ISS - die astronews.com Berichterstattung über die Internationale Raumstation
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