Quelle: ZARM.

Dieses Mal wurden vom Rückweg Richtung Erde erstaunliche Daten übermittelt, die selbst für die Verbrennungsforschenden vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen nicht vorhersehbar waren: in der Schwerelosigkeit breitet sich eine Flamme nur entgegengesetzt zur Luftströmung aus. Auf einem Raumfahrzeug eine Flamme auspusten zu wollen, wäre demnach eine wirklich schlechte Idee.

23 Stunden dauerte das Experiment, das am 6. Januar 2021 auf CYGNUS im Rahmen der SAFFIRE V Kampagne durchgeführt wurde und testen soll, wie sich ein Feuer in einem Raumfahrzeug mit astronautischer Crew verhält. Da offenes Feuer im Weltraum, auch wenn es bewusst und kontrolliert gezündet wird, immer ein großes Risiko darstellt, nutzt das Forschungsteam seit 2016 den CYGNUS-Transporter, der auf dem Hinweg Versorgungsmaterialien zur ISS bringt und auf dem Rückweg mit Abfällen in der Erdatmosphäre verglüht. In der Phase zwischen dem Abdocken und vor dem Eintritt wird das Feuer entzündet.

Der Experimentaufbau im All
Das Experiment des ZARM besteht aus einer strukturierten Plexiglasprobe (PMMA). Die Probe ist 40 Zentimeter breit, 20 Zentimeter lang und 10 Millimeter dick, mit Rippen unterschiedlicher Breite darauf, die von einem kontinuierlichen Luftstrom (20 Zentimeter pro Sekunde) angeblasen wird, der das Lüftungssystem, das gleichzeitig das Sauerstoffversorgungssystem ist, eines Raumfahrzeugs simulieren soll. Der Druck beträgt etwa 70% des normalen Luftdrucks bei einer erhöhten Sauerstoffkonzentration von 26% und entspricht damit den Bedingungen, wie sie auf zukünftigen astronautischen Explorationsmissionen vorgesehen sind.

Tatsächlich war es ein Zufall, der zum vielleicht erfolgreichsten – weil lehrreichsten – aller bisherigen Experimente des SAFFIRE-Projekts führte. Zunächst sollte eine Flamme an dem Ende der Materialprobe entzündet werden, die aus Luftströmungsrichtung betrachtet am Anfang der Plexiglasscheibe liegt. Die Flamme würde sich also mit der Strömung ausbreiten. Von diesem Versuch erwarteten die Wissenschaftler*innen eigentlich die besseren Erkenntnisse, aber der Zünder hatte offenbar seinen Kontakt verloren, so dass die Flamme nicht zündete. Beim zweiten Teil des Experiments wurde aber erfolgreich eine Flamme am anderen Ende der Plexiglasscheibe entzündet – also im Gegenstrom – und zeigte dann ein völlig unerwartetes Verhalten: In der Schwerelosigkeit breitete sich die Flamme rasch aus, indem sie der Luftströmung entgegen kam – ein Prozess, der unter „normalen“ Gravitationsbedingungen so kaum stattfände. Da die Plexiglasscheibe durch den Ausfall des ersten Zünders noch unversehrt war, konnte dieses Verhalten sehr deutlich und über die gesamte Probenlänge hinweg beobachtet werden.

Wieso breitet sich die Flamme in die „falsche“ Richtung aus?
Die Beobachtungen lassen mehrere Schlussfolgerungen zu. Die grundlegendste ist, dass sich eine Flamme in Schwerelosigkeit nicht mit der Strömung ausbreiten kann. Es findet also genau das Gegenteil von dem statt, was wir intuitiv erwarten. Woran liegt das? Generell werden die eine Flamme umgebenden Luftschichten erhitzt und dehnen sich aus. Die geringere Dichte führt unter normaler Erdanziehungskraft dazu, dass diese leichteren Schichten nach oben aufsteigen und neuer sauerstoffreicher Luft Platz machen. Die großen Geschwindigkeitsunterschiede dabei führen zur Faltung der Strömung, die die bekannte lodernde Flamme verursacht. Dabei wird Sauerstoff auch aus anderer als der Strömungsrichtung an das Material geführt. In der Schwerelosigkeit gibt es aber keine Gewichtsunterschiede und daher auch keinen Auftrieb. Die heißen Gasbereiche dehnen sich zwar ebenfalls aus, sie bleiben aber in Strömungsrichtung geschichtet – ohne Faltung und ohne das bekannte Lodern. Ganz ohne Luftströmung würde die Flamme sogar in ihrem Abgas ersticken. Soweit ist das Phänomen bereits bekannt. Durch die vorhandene Luftströmung beim SAFFIRE-Experimentaufbau wird aber ausschließlich die vordere Flammenbasis – dort wo der Luftstrom auf die Flamme trifft – ausreichend mit Sauerstoff versorgt. Dementsprechend ist die Flamme hier am aktivsten und propagiert überraschend schnell der Luftströmung entgegen.

Eine weitere Erkenntnis ist, dass die Flamme den unter ihr aufgeheizten und ausgasenden Bereich vor Luftzutritt und Verbrennung schützt. Die gegen die Anströmung propagierende Flammenfront hinterlässt also keine brennende Fläche. Stattdessen wird unter ihr viel brennbares aber unverbranntes Rauchgas produziert. Das bedeutet weiterhin, dass die kleinste Störung der Schichtung, die dieses heiße, unverbrannte Rauchgas mit Sauerstoff versorgen würde, zu dramatischen Verpuffungen führt. So einen „Backdraft“ gibt es zwar auch am Boden, jedoch bedarf es unvergleichlich stärkerer Störungen, um diesen auszulösen. Am ehesten bekannt ist dieser Begriff in Verbindung mit Feuer in geschlossenen Räumen. Hier bildet sich unter der Decke ebenfalls eine Schicht heißer brennbarer Gase und durch das Öffnen einer Tür oder das Bersten eines Fensters kann neuer Sauerstoff eingemischt und eine Verpuffung ausgelöst werden. Dieses Phänomen musste das Forschungsteam beim vorherigen Flug beobachten, bei dem die Strömung offenbar zu kurz nach Verlöschen der Probe wieder eingeschaltet wurde und hat nun auch eine Erklärung für dieses dramatische Ende des SAFFIRE IV-Experiments.

Feuerbekämpfung in Schwerelosigkeit
Welche Konsequenzen haben diese neuen Erkenntnisse für das Verhalten einer Weltraum-Crew im Fall, dass ein Feuer ausbricht? Ein Crew-Mitglied, das sich in einem Feuerszenario bewegt oder gar Löschversuche mit einem Strahl unternimmt, kann die plötzliche Verbrennung aller akkumulierten Rauchgase auslösen und damit die Situation eskalieren. Bei der Auswahl der Feuerlöschtechnik wird man also ganz anders abwägen müssen, ob ein aktives Eingreifen überhaupt sinnvoll sein kann.

Das Projekt „SAFFIRE“ wird von der NASA finanziert. Beteiligt sind neben vielen US-Wissenschaftler*innen auch Forschende aus Europa, Russland und Japan.

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Quelle: ZARM.

Das Anlaufen der Experimente auf Cygnus NG-14 wurde mit großer Spannung erwartet, denn die Wissenschaftler*innen erhofften sich neue Erkenntnisse zur Feuersicherheit an Bord von Raumfahrzeugen. Schon zum fünften Mal konnte die Cygnus-Kapsel dafür genutzt werden, deren eigentliche Bestimmung es ist, die Internationale Raumstation ISS mit Versorgungsgütern und neuen Experimentaufbauten zu beliefern und anschließend auf ihrem Rückweg in der Erdatmosphäre zu verglühen.

Nachdem der Raumtransporter am 6. Januar 2021 von der ISS abdockte, konnten die SAFFIRE V-Experimente am 7. Januar um 3:30 Uhr (MEZ) gezündet werden. Bei SAFFIRE V wird eine Plexiglasplatte so entzündet, dass sich die Flamme durch einen Luftstrom mit Normoxic-Atmosphäre (700 Millibar, 26,5% Sauerstoff wie bei zukünftigen Explorationsmissionen) „stromaufwärts“ oder „stromabwärts“ über das Material ausbreitet.

Leider konnte das erste der beiden Experimente („stromabwärts“) aufgrund eines technischen Defekts nicht gezündet werden. Im zweiten Experiment, bei dem sich die Flamme gegen die Strömung ausbreiten sollte, geschah hingegen etwas Unerwartetes: Die drei Thermoelemente, die am gegenüberliegenden Ende der Zündstelle angebracht waren, sollten nach den Erwartungen der Wissenschaftler*innen während der 6-minütigen Brenndauer keinen signifikanten Temperaturanstieg zeigen. Doch die Werte eines der Thermoelemente schossen nach nur drei Minuten plötzlich in die Höhe und erreichten einen Spitzenwert von 185° C.

Die beteiligten Wissenschaftler*innen müssen nun etwa eine Woche lang rätseln, bis sie die Bilder der Experimente erhalten und herausfinden können, was für diesen unerwarteten Temperaturanstieg verantwortlich war. Eine erste Auswertung anhand der Messdaten der Flammenstrahlungswerte, der Abgastemperaturen, der O₂-, CO-, CO₂-Konzentrationen sowie der Luftfeuchtigkeitswerte hat bereits begonnen.

Das Projekt „SAFFIRE V“ wird von der NASA finanziert.

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Quelle: ZARM.

Die eigentliche Bestimmung der CYGNUS-Kapsel ist es, die Internationale Raumstation ISS mit Versorgungsgütern und neuen Experimentaufbauten zu beliefern und anschließend auf ihrem Rückweg in der Erdatmosphäre zu verglühen. Bereits zum zweiten Mal wird nun die ansonsten ungenutzte Retour von den Verbrennungsforschern des ZARM für ein Experiment in der „SAFFIRE V“ Apparatur genutzt.

Nachdem die gesamte Fracht auf die ISS verladen wurde, verbleibt das schreibtischgroße Experimentmodul an Bord des „Carriers“. Erst nach dem Abdocken und nachdem das Raumfahrzeug einen sicheren Abstand zur ISS eingenommen hat, wird Mitte Dezember 2020 das Experiment gestartet. Dabei wird eine vergleichsweise sehr große Plexiglas-Platte (40 x 20 x 1,5 Zentimeter) entzündet – und das gleich zweimal.

Zuerst soll die in einem Windkanal montierte Materialprobe so an einem Ende entzündet werden, dass sich die Flamme durch eine Luftströmung mit Standardatmosphäre (1013 Millibar, 21% Sauerstoff – wie auf der Erde) „stromaufwärts“ über das Material ausbreitet. Dabei wird der Verbrennungsfortschritt entlang verschiedener auf der Probe angebrachter Strukturen beobachtet. Dann wird die Luftströmung unterbrochen und die Flamme erlischt. Später wird die Plexiglas-Probe am anderen Ende erneut entzündet und die Verbrennung gegen die Anströmung untersucht. In diesem zweiten Teil des Versuchs entsprechen die Umgebungsbedingungen der Atmosphäre, wie sie für zukünftige astronautische Explorationsmissionen vorgesehen ist (600 Millibar/ 34% Sauerstoff).

Eine vergleichbar große Materialprobe wurde bisher erst ein einziges Mal mit dem Vorgängerexperiment SAFFIRE IV – ebenfalls auf dem Rückflug des CYGNUS-Transporters – untersucht. Damals sorgte das Experiment für eine große Überraschung, da es nicht wie vorgesehen nach Abschalten der Lüftung erlosch, sondern sich stattdessen erneut entzündete und eine heftige Verpuffung verursachte. Dies ist einer weiterer Grund, warum die ZARM-Wissenschaftler dem Experiment mit großer Spannung entgegen gesehen.

Das Projekt „SAFFIRE V“ wird von der NASA finanziert.

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