Strömungsverhalten in der Schwerelosigkeit
Redaktion
astronews.com
21. Dezember 2004
Wissenschaftler der Universität Bremen haben bei einem unbemannten Raketenflug
das Strömungsverhalten von Flüssigkeiten unter Schwerelosigkeit untersucht.
Dabei gewannen sie nicht nur eine Fülle wissenschaftlicher Daten, sondern
testeten auch erfolgreich ihren Versuchsaufbau, der im Rahmen des
NASA-Weltraumprogramms auf der Internationalen Raumstation ISS zum Einsatz
kommen wird. Ziel der Forschung ist es, die Handhabung von Flüssigkeiten an Bord
von Satelliten und Raumfahrzeugen zu optimieren.
Das Bild zeigt einen Ausschnitt eines durchsichtigen
Kapillarkanals, durch den Flüssigkeit strömt. Fließt sie zu
schnell, wird Gas von den offenen Seiten des Kanals (links und
rechts) eingesaugt, die Strömung reißt ab.
Foto:
Pressestelle Uni Bremen |
Am 2. Dezember 2004 startete in der Nähe von Kiruna in Nordschweden eine
Forschungsrakete im Auftrag des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt
(DLR). Während des parabelförmigen Fluges, bei dem die Rakete eine Höhe von 250
Kilometern erreichte, herrschte für etwa sechs Minuten Schwerelosigkeit.
Mit an
Bord war ein Experiment des Zentrums für Angewandte Raumfahrttechnologie und
Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen. Das Forscherteam unter der
Leitung von Privatdozent Dr.-Ing. Michael Dreyer untersuchte das
Strömungsverhalten einer Flüssigkeit in der Schwerelosigkeit.
Flüssigkeiten verhalten sich unter Schwerelosigkeit völlig anders als auf der
Erde. Während hier die Schwerkraft dafür sorgt, dass sich zum Beispiel Benzin am
Boden eines Autotanks sammelt, verteilt sich flüssiger Treibstoff unter
Schwerelosigkeit an den Tankwänden. Um ihn zum Auslass zu transportieren, nutzen
die Wissenschaftler ein bekanntes physikalisches Prinzip: die Kapillarkraft.
Kapillarkräfte entstehen durch die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten. Auf
der Erde treten sie vor allem in haarfeinen Röhren (Kapillaren) auf. Das kann
man zum Beispiel beim Arzt beobachten, wenn ein Blutstropfen in einem
Glasröhrchen von selbst aufsteigt. Kapillarkräfte sind ebenfalls am Werk, wenn
ein Löschblatt Tinte aufsaugt. Auf der Erde werden die Kapillarkräfte durch die
Schwerkraft begrenzt, unter Schwerelosigkeit jedoch nicht.
Nicht nur in Röhrchen treten Kapillarkräfte auf, sondern auch zwischen zwei
parallel stehenden Platten, etwa den Glasscheiben eines Doppelfensters. Dieses
Prinzip wird in Satellitentanks verwendet. Mehrere schmale Platten, so genannte
Steighilfen, werden parallel zur Tankwand angebracht. Sobald Schwerelosigkeit
herrscht, beginnt aufgrund der Kapillarkräfte der Treibstoff zwischen Tankwand
und Platte zu fließen. Statt sich irgendwo im Tank zu verteilen, strömt der
Treibstoff nun von selbst zum Auslass und kann von dort weiter zum
Raketentriebwerk geleitet werden.
Das Prinzip ist einfach, doch im Detail sind diverse Probleme zu lösen. So darf
die Fließgeschwindigkeit nicht zu hoch werden, weil sonst der Flüssigkeitsstrom
abreißt. Die Triebwerke würden nicht kontinuierlich Treibstoff bekommen, die
Lageregelung des Raumfahrzeug wäre gestört. Zum Verständnis dieser Probleme hat
der Raketenflug eine Fülle von Daten erbracht, die nun ausgewertet werden.
Das
von den Bremern entwickelte und von der Firma EADS Space Transportation
gebaute Experimentmodul hat sich als so erfolgreich erwiesen, dass die NASA es
in ihr Weltraumprogramm aufgenommen hat. 2008 wird es in erweiterter Form drei
Monate lang auf der Internationalen Weltraumstation ISS eingesetzt, wo es auch
amerikanische Wissenschaftler nutzen werden.
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