Quelle: BTU 18. März 2024.

18. März 2024 – Im Februar 2024 startete die zweite Phase des DLR-Projekts „AtmoFlow“. AtmoFlow bezeichnet die wissenschaftlichen Untersuchungen der konvektiven Strömung in einem Kugelschalensystem, welches analog zu planetaren Strömungsfeldern ist“, erläutert Prof. Dr.-Ing. Christoph Egbers, der das Projekt leitet. Der Förderzeitraum umfasst drei Jahre und eine Fördersumme von knapp 680.000 Euro.

BTU-Strömungsforschung zum dritten Mal im Weltall
Mit AtmoFlow wird bereits zum dritten Mal ein von der BTU wissenschaftlich und technologisch koordiniertes Raumstationsexperiment in den Orbit fliegen. Die Vorläuferexperimente GeoFlow I (2008-2009) und GeoFlow II (2011-2018) waren bereits sehr erfolgreich von Cottbus aus vorbereitet und durchgeführt worden. Prof. Dr.-Ing. Christoph Egbers, Lehrstuhlinhaber Aerodynamik und Strömungslehre der BTU und Leiter aller drei Projekte, erklärt begeistert: „Das ist etwas sehr Besonderes. Es gibt kaum eine andere deutsche Universität, die seit über 20 Jahren an so vielen Raumstationsexperimenten teilgenommen hat.“ Dazu gehören auch zahlreiche begleitende Bodenexperimente und Parabelflüge sowie Forschungsraketenflüge, bei denen für kurze Zeit Schwerelosigkeit vorherrscht. Mit dem neuen DLR-Projekt werden drei weitere Stellen für Wissenschaftler*innen gefördert.

Miniatur-Erde auf der ISS
Das Hauptanliegen des Atmospherical Flow (AtmoFlow)-Experimentes liegt auf der Untersuchung atmosphärischer, konvektiver Strömungen im Kugelspalt. Solche Kugelspalt-Experimente sind in den Disziplinen Geophysik, Astrophysik und ganz besonders in der Atmosphärenforschung weit verbreitet und von zentraler Bedeutung. Die Besonderheit der BTU-Technik ist ihre Kugelgeometrie im Unterschied zu anderen häufig planaren, kartesischen Experimenten.

In AtmoFlow sollen Strömungen in sphärischer Geometrie unter dem Einfluss eines zentralen Kraftfeldes („Miniatur-Erde“) untersucht werden, die atmosphären-ähnlichen Randbedingungen ausgesetzt sind. Diese Versuchsanordnung kann nicht auf der Erde realisiert werden, da ihr Gravitationsfeld das künstliche zentrale Kraftfeld des Modells überlagert. Unter Mikrogravitationsbedingungen, also in annähernder Schwerelosigkeit, kann das Modell-Kraftfeld jedoch Konvektion simulieren – Strömungen, wie sie in der Erdatmosphäre, in den Weltmeeren oder im Magmamantel vorkommen.

Parallel und komplementär dazu entwickelt Dr.-Ing. Vadim Travnikov, Wissenschaftler im Team von Prof. Egbers, seit Januar 2024 im Rahmen eines von der DFG-geförderten Projekts ein hydrodynamisches CFD-Modell (Computational Fluid Dynamics). Dieses Strömungsmodell soll die Erscheinungsformen und das Zusammenspiel atmosphärischer Strömungen der Erde beschreiben. Mit Hilfe einer Stabilitätsanalyse erfährt der Forscher auf diese Weise mehr über den Zustand einer Strömung. So kann eine Instabilität den Übergang zu einer turbulenten Strömung einleiten, die sich in der Erdatmosphäre beispielsweise in einem Wirbelsturm äußert. „Uns interessiert, wie sich die Strömungen mit dem Klimawandel weltweit verändern“, sagt der Wissenschaftler. „Mit diesem Wissen können Meteorologen das lokale Klima genauer vorhersagen.“ Die Ergebnisse dieser Forschungen fließen in das Projekt Atmoflow zur Untersuchung planetarer, atmosphärischer Strömungen auf der Internationalen Raumstation (ISS) ein.

Nach aktuellem Stand ist der Flug zur ISS für 2026 oder 2027 geplant.
Ziel des BTU-Projekts ist die Etablierung eines Simulationsmodells, das auf Basis der Daten aus dem Kugelmodell atmosphärische Konvektionsprozesse berechnet. Durch Änderung der Randbedingungen – wie beispielsweise höhere Temperaturen an Nord- und Südpol – können mit diesem Modell auch Auswirkungen des Klimawandels auf Strömungsprozesse simuliert und mögliche Folgen abgeschätzt werden. Das Team besteht weiterhin aus Dr. Peter Szabo, M.Sc. Peter Haun, M.Sc. Yaraslau Sliavin und M.Sc. Yann Gaillard-Röpke.

Hintergrund
Russland, die USA, Japan und Europa betreiben die ISS und ihre Forschungsmodule gemeinsam noch mindestens bis zum Jahr 2030. Allein aus Deutschland laufen 40-50 Experimente verschiedener Disziplinen und Einrichtungen in der Schwerelosigkeit der Raumstation.

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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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