Quelle: BTU.

31. Januar 2022 – Als eines von vier deutschen Teams beginnen die Wissenschaftler Dr. Martin Meier und Dr. Vasyl Motuz gemeinsam mit Prof. Dr.-Ing. Christoph Egbers am Sonntag, 13. Februar 2022, ihre Reise von Bremen nach Nordschweden, Kiruna. Dort begleiten die Forscher den Start einer Höhenforschungsrakete, die im Rahmen des Wissenschaftsprogramms TEXUS (Technologische Experimente unter Schwerelosigkeit) biologische, materialwissenschaftliche und physikalische Untersuchungen unter Weltraumbedingungen ermöglicht. An Bord ist neben drei weiteren Experimenten aus der physikalisch-chemischen und biologischen Forschung in diesem Jahr ein Modul des BTU-Projektes „TEKUS – thermoelektrische Konvektion unter Schwerelosigkeit“. Im Fokus des Vorhabens steht die thermische Konvektion in einer Zylinderspaltgeometrie unter dem Einfluss eines elektrischen Zentralkraftfeldes. Während die Untersuchungen auf der Erde durch schwerkraftgetriebene Strömungsbewegungen überlagert werden, können die Wissenschaftler die Effekte unter Schwerelosigkeit ohne diesen Einfluss beobachten und mit Computermodellen vergleichen.

Nach bisher 12 erfolgreichen Experimentkampagnen zur thermoelektrischen Konvektion im freien Fall bei Parabelflug-Missionen in Frankreich ist dies nun die erste Mission in einer Höhenflugrakete. Prof. Christoph Egbers, Inhaber des Lehrstuhls Aerodynamik und Strömungsforschung an der BTU Cottbus-Senftenberg, ist stolz darauf und sagt: „Während des Raketenfluges können unsere thermoelektrischen Strömungsexperimente in einem etwa 18-fach längeren Zeitraum in annähernder Schwerelosigkeit stattfinden, als die Parabelflüge es ermöglichen. Damit erhöht sich die Qualität der Versuchsergebnisse deutlich. Die Möglichkeit, dass unser Experiment als eines von vier Versuchsaufbauten mitfliegt, ist für unsere Forschungen sehr bedeutend. Mit einer Kombination von zwei optischen Messtechniken, der Shadowgraph- und der Particle Image Velocimetry (PIV)-Messtechnik, können wir das Strömungsfeld sichtbar machen und charakterisieren.“

Die BTU-Experimente TEXUS werden vom Deutschen Luft- und Raumfahrzentrum (DLR) gefördert.

Über das Experiment
Im Rahmen des Projektes „TEKUS“ wird der Einfluss eines elektrohydrodynamischen Kraftfeldes auf den Wärme- und Stofftransport in einem Zylinderspalt untersucht. Der Zylinderspalt entsteht zwischen zwei ineinander gestellten, senkrechten Rohren und ist oben und unten durch Deckel- und Bodenplatte begrenzt. Der Spalt ist mit einem elektrisch nichtleitenden Öl gefüllt. Während das innere Rohr beheizt wird, wird das äußere Rohr von außen gekühlt. Der Temperaturunterschied führt zu einer Grundströmung. Erhöht sich der Temperaturunterschied, nimmt die Grundströmung neue Formen an, der Wärmetransport zwischen Innen- und Außenrohr ist verstärkt. Wenn auf dieses System nun ein Kraftfeld in Form einer angelegten Wechselspannung wirkt, entsteht eine elektrohydro-dynamische Kraftwirkung. Unter Erdbedingungen stört dieses künstliche Kraftfeld die Stabilität der Auftriebsströmung und kann den Wärmetransport verstärken.

Unter Mikrogravitationsbedingungen, wie sie beispielsweise im Parabelflug auftreten, wird die Auftriebsströmung jedoch vernachlässigbar klein. Das durch die Hochspannung aufgebaute Kraftfeld ist dann allein ausschlaggebend für das Entstehen von Strömungen im Zylinderspalt, die vielfältige Formen bis zu turbulenten Strömungen annehmen können. Diese Strömungsformen – und damit auch der Wärmetransport zwischen Innen- und Außenrohr – können mit der Höhe der elektrischen Spannung kontrolliert werden.

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• Hoehenforschungsraketen

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Quelle: OHB SE Bremen.

Ob ihr Experiment weltraumtauglich ist, können Wissenschaftler seit mehr als vier Jahrzehnten durch TEXUS-Missionen klären. Die OHB System AG, ein Tochterunternehmen des börsennotierten Raumfahrt- und Technologiekonzerns OHB SE, ist seit dem Programmstart maßgeblich beteiligt. Eine unbemannte TEXUS-Rakete absolvierte am 15. November 2019 von Nordschweden aus ihre wissenschaftliche Mission im All.

Um 10:35 Uhr Ortszeit hob TEXUS-56 vom ESRANGE Space Center (ESC) bei Kiruna ab und erreichte eine Höhe von 266 Kilometern. An Bord herrschte während des parabelgleichen Flugs für 6 Minuten Schwerelosigkeit. Da die an Bord der Rakete mitgeführten wissenschaftlichen Versuche und Technologieerprobungen nur in dieser Zeitspanne unter Weltraumbedingungen durchgeführt werden können, muss alles reibungslos funktionieren.

OHB-Team vor Ort
„Damit die Experimentatoren während der Freiflugphase ihre Daten erhalten und per Telekommando auf ihr Experiment einwirken können, stellen wir im Zusammenwirken mit den Bodenstationen die erforderlichen Systeme an Bord und Boden bereit. Bei TEXUS-56 wurde ein neuartiges, Ethernet-basierendes Übertragungssystem getestet, das in den Folgemissionen die Kommunikationsmöglichkeiten mit den Experimenten deutlich erweitern und erleichtern soll“, erklärt Horst Pfeuffer, Projektleiter TEXUS bei der OHB System AG. Pfeuffer und sein Team haben wie bei den früheren TEXUS-Missionen die Integration der Experimente an Bord der Forschungsrakete verantwortet. Sie waren ebenfalls wieder für die Servicesysteme zuständig, die aus einem Service Modul (mit Einheiten der Telemetrie, Telekommando, TV-Bildübertragung, der Nutzlastbewegungskontrolle und µg-Messungen) und einem Bergungssystem bestehen, sowie dem „Ethernet for TEXUS“ (E4T) besteht. Das OHB-Servicesystem lieferte zuverlässig Positionsdaten, so dass die per Fallschirm zur Erde zurück gekommene Nutzlast mit den Experimentmodulen rasch lokalisiert und geborgen werden konnte. Die Experimentatoren hatten somit den erhofften schnellen Zugang zu ihren Experimenten.

Drei Experimente
Für diese Mission wurden drei Experimente an Bord der Forschungsrakete akkommodiert: Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wählte mit InSituKris ein Experiment der Universität Freiburg aus, das schon zweimal „Weltraumluft schnuppern“ durfte und sich mit der In-situ Beobachtung von Fremdphasenpartikeln in Fluiden und ihrer Interaktion mit der Kristallfront beschäftigt. Die ESA war mit zwei neuen Experimentmodulen beteiligt: Die McGill University of Montreal war mit PERWAVES (Percolating Reactive Waves in Particulate Suspensions) an Bord, die TU Braunschweig mit dem Fallturm-erfahrenen Experiment ICAPS (Interactions in Cosmic and Atmospheric Particle Systems).

Nomen est omen
„Technologische Experimente unter Schwerelosigkeit“ lautet der komplette Name des nationalen Forschungsprogramms, das 1976 ins Leben gerufen wurde. Auftraggeber für die jetzige Mission ist die Europäische Weltraumorganisation ESA. OHB führt die Arbeiten gemeinsam mit der Mobilen Raketenbasis des DLR (MORABA) im Unterauftrag von Airbus Defence and Space, Bremen, durch.

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• OHB-System

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Quelle: BTU.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) fördert ein dreijähriges Forschungsprojekt am Lehrstuhl Aerodynamik und Strömungslehre mit rund 666 T€. Unter dem Titel „Thermoelektrische Konvektion im Zylinderspalt unter Schwerelosigkeit“, kurz TEKUS, bereiten die BTU-Wissenschaftler ab April 2019 ein Experiment zu thermoelektrischen Strömungen in einer Zylinderspaltgeometrie für einen Forschungs-Raketenflug des TEXUS-Programms des DLR vor. Mit den Erkenntnissen erhoffen sie sich einen Beitrag zu leisten für technische Anwendungen insbesondere im Bereich von miniaturisierten (Rohr-)Wärmetauschern.

„Dass wir unsere Strömungsexperimente auf einer TEXUS-Rakete in die Schwerelosigkeit schicken können, ist einfach einzigartig. Im Vergleich zu den Parabelflügen, die wir schon mehrere Jahre absolvieren, ist unser Experimentmodul in einem etwa 14 mal so langen Zeitraum in annähernder Schwerelosigkeit. Unsere Ergebnisse verbessern sich damit deutlich“, so der Inhaber des Lehrstuhls Aerodynamik und Strömungslehre Prof. Christoph Egbers. „Unsere automatisierten Experimente müssen dabei zuverlässig funktionieren, denn im Unterschied zu den Parabelflügen können wir vor Ort nicht manuell eingreifen“, ergänzt Projektleiter Dr.-Ing. Martin Meier.

Der Flug startet vom europäischen Raketenstartplatz ESRANGE (European Space Range) bei Kiruna in Nordschweden. Die zweistufige, 13 Meter lange Feststoff-Rakete erreicht eine Gipfelhöhe von etwa 250 Kilometern. Sechs von insgesamt 15 Minuten befinden sich die Experimentmodule in annähernder Schwerelosigkeit, die nur etwa einem Zehntausendstel der normalen Erdschwerkraft entspricht. Ein Fallschirm bringt die wissenschaftliche Nutzlast, also die Raketenspitze mit den Versuchsanordnungen, nach dem Flug wieder zurück zum Boden. Während des Raketenflugs können die Forscher vom Boden aus ihre Versuche bei Bedarf  auch durch Telecommanding und Videoübertragung direkt steuern und überwachen. Die wissenschaftlichen Daten werden per Telemetrie übertragen oder nach der Bergung der Nutzlast gesichert.

Zur Vorbereitung der TEXUS-Mission sind ebenfalls zwei Parabelflugkampagnen für den Test der Messtechnik und neuer Komponenten für das Experiment vorgesehen. Das neu aufzubauende Modul für die Rakete wird in enger Zusammenarbeit mit der Airbus-Division Defence & Space in Bremen entwickelt. Der Start ist im Frühjahr 2021 geplant.

Mit den vier sehr erfolgreichen Parabelflugexperimenten in Bordeaux, die die Forschergruppe um Dr.-Ing. Martin Meier innerhalb des Forschungsprojekts »Konvektion im konzentrischen Spalt (KIKS)« durchgeführt hat, wurde der Grundstein für die Bewilligung des neuen Projektes gelegt. In einem Parabelflug dauert die Mikrogravitation etwa 22 Sekunden an und wird abwechselnd mit Phasen normaler und nahezu doppelter Erdbeschleunigung ungefähr 30 Mal wiederholt.

Hintergrund zum TEXUS-Programm
Im Wissenschaftsprogramm TEXUS (Technologische Experimente unter Schwerelosigkeit) führen Wissenschaftler auf durchschnittlich zwei TEXUS-Flügen pro Jahr mit Forschungsraketen biologische, materialwissenschaftliche und physikalische Experimente unter Weltraumbedingungen durch. Es ist das weltweit erfolgreichste und am längsten bestehende Raketenprogramm für wissenschaftliche Versuche und Technologieerprobungen in Schwerelosigkeit.

Im gesamten TEXUS-Programm wurden seit 1977 etwa 300 wissenschaftliche Experimente durchgeführt, 70 Prozent davon im Auftrag des DLR und etwa 30 Prozent im Rahmen einer Beteiligung durch die europäische Raumfahrtagentur ESA.

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Ein Beitrag von Sascha Haupt. Quelle: Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie, Newsbild: Georg Slickers.

Die meisten heute verwendeten Solarzellen bestehen aus polykristallinem Silizium, das heißt ihre Siliziumschicht besteht aus vielen kleinen Einzelkristallen. Sie werden im Gussverfahren hergestellt. Beim Erstarren kommt es dabei zum Einbau von Fremdpartikeln, unter anderem Siliziumcarbid, einer Verbindung von Silizium und Kohlenstoff. Das ist ungünstig, da diese Einschlüsse zu Kurzschlussströmen führen können, welche den Wirkungsgrad der Solarzelle herabsetzen und außerdem die Härte des Materials erhöhen, was wiederum die mechanische Bearbeitung erschwert.
Für metallische Legierungen gibt es theoretische Modelle, die den Einbau von Fremdpartikeln beschreiben: Sie sollten demnach nicht in den Kristall eingebaut werden, wenn dessen Wachstumsgeschwindigkeit unter einem bestimmten Wert bleibt, da sie dann vor der Phasengrenze zwischen fester und flüssiger Siliziumphase hergeschoben werden. Für Silizium versagen diese Modelle aber.

Ziel ist es nun, neue Modelle zu entwickeln, die das Erstarren von Silizium korrekt beschreiben, um damit vielleicht letztendlich den Einschluss von Siliziumcarbid-Partikeln zu minimieren. Dazu dient das Experiment ParSiWal, bei dem der Erstarrungsprozess in der Schwerelosigkeit beobachtet wird. Dadurch werden gravitative Effekte, wie etwa Sedimentation, ausgeblendet, was die Prozesse vereinfacht.

Für das Experiment ParSiWal wird die Ofenanlage ELLI zum Einsatz kommen, die bereits in der Vergangenheit bei anderen Kristallexperimenten an Bord von TEXUS-Raketen verwendet wurde. Für ParSiWal wird darin ein Siliziumstab, der an einer Stelle Fremdpartikel unterschiedlicher Größe enthält, eingesetzt. In der Schwerelosigkeit wird dieser zunächst an der Stelle mit den Fremdpartikeln durch eine Induktionsspule erhitzt und zum Schmelzen gebracht. Anschließend wird der Stab mit variierender Geschwindigkeit verschoben, sodass der geschmolzene Bereich und damit die Phasengrenze durch den Stab wandern. Damit soll die jeweilige sogenannte Einfanggeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, bei der die Partikel von der Phasengrenze eingefangen werden, bestimmt werden.

Das Experiment ParSiWal wird vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) in Erlangen in Kooperation mit dem kristallographischen Institut der Universität Freiburg, dem Lehrstuhl für Material-und Prozesssimulation der Universität Bayreuth sowie dem Institut für Verfahrenstechnik und Materialwissenschaften der University of Minnesota durchgeführt.

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