Quelle: ZARM 17. April 2024.

17. April 2024 – Mehr als ein halbes Jahrhundert nach den ersten Schritten der Menschheit auf dem Mond treten wir in eine neue Phase von Weltraummissionen ein, einschließlich der Rückkehr zum Mond und der Reise zum Mars. Um dies zu erreichen, ist ein Umdenken bei den Antriebssystemen erforderlich. Unter Beteiligung des ZARM ist ein Übersichtsartikel in der Fachzeitschrift Nature Portfolio Journals „Microgravity“ erschienen, in der kryogene Flüssigkeiten, insbesondere flüssiger Wasserstoff und Methan in Verbindung mit flüssigem Sauerstoff, als die effektivsten und vielversprechendsten Treibstoffe für diese Raumfahrtmissionen angesehen werden. Bisher machen die Treibstoffe noch den größten Teil der Transportmasse eines Raumfahrzeugs aus, sodass die Neubetankung im Weltraum von entscheidender Bedeutung ist, um die Reichweite von Weltraummissionen zu verlängern. Die Arbeit ist das Ergebnis der Zusammenarbeit von Forschenden in einem Topical Team der Europäischen Weltraumagentur (ESA) und widmet sich den physikalischen Grundlagen der Handhabung von Treibstoffen. Sie wird als Basis für zukünftige Untersuchungen und Experimente dienen, wie z.B. einem Experiment mit flüssigem Wasserstoff auf einer Forschungsrakete.

Die kryogene Herausforderung
Kryogene Treibstoffe wie Methan oder Wasserstoff werden bei extrem niedrigen Temperaturen flüssig. Die überaus komplizierte Handhabung dieser Medien im Weltraum stellt eine erhebliche wissenschaftliche und technologische Hürde dar. Der Artikel befasst sich mit den wesentlichen Voraussetzungen für die Handhabung kryogener Treibstoffe, einschließlich Konditionierung, Lagerung, Kontrolle und Transfer. Die Arbeit zielt außerdem darauf ab, Lücken in unserem physikalischen Verständnis aufzuzeigen, die geschlossen werden müssen, um zukünftige Explorationsmissionen zu ermöglichen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist interdisziplinäre Forschung auf den Gebieten der Thermodynamik, Fluiddynamik und Strukturmechanik erforderlich.

Sprungbrett in den Weltraum
Für die Verlängerung der Reichweite und Dauer von Weltraummissionen ist die Betankung von Raumfahrzeugen außerhalb unserer Umlaufbahn essentiell. ZARM Direktor Marc Avila ist Co-Autor des Artikels und unterstreicht die Relevanz von Tankstellen im Weltall: „Die Möglichkeit Raumfahrzeuge aufzutanken, nachdem sie das Schwerfeld der Erde überwunden haben und auf der Strecke bereits den größten Teil ihres Treibstoffes verbraucht haben, ist eine notwendige Voraussetzung, um den Mars zu erreichen. Um aber tatsächlich eine Weltraumtankstelle in die Realität umzusetzen, brauchen wir Strategien, die wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt vereinen.“

Artikel in Microgravity:
www.nature.com/articles/s41526-024-00377-5
pdf: https://www.nature.com/articles/s41526-024-00377-5.pdf

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Quelle: Universität Bonn 23. November 2022.

23. November 2022 – Forschende der Universität Bonn haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich der Wasserstand von Flüssen rund um die Uhr überwachen lässt. Der kostengünstige Sensor eignet sich etwa für flächendeckende Hochwasser-Warnsysteme. Die Studie ist in der Zeitschrift Water Resources Research erschienen.

Es gibt eine ganze Reihe von Methoden, den Pegel eines Wasserlaufs zu bestimmen – von sehr einfachen (per Messlatte) bis hin zu High-Tech-Lösungen per Radar. Doch alle haben einen Haken: Die meisten Messgeräte können durch Hochwasser beschädigt werden, viele erlauben keine kontinuierliche Überwachung, ihre Fernablesung gestaltet sich schwierig oder sie sind einfach zu teuer.

In Wesel am Niederrhein verrichtet dagegen bereits seit zwei Jahren ein Messgerät seinen Dienst, das diese Nachteile nicht hat: Es ist kostengünstig, zuverlässig und dazu in der Lage, den Pegelstand per Mobilfunk kontinuierlich an ein Auswertungs-Zentrum zu übermitteln. Damit eignet es sich im Prinzip zur engmaschigen Warnung vor Hochwasser- und Dürre-Ereignissen.

„Kern unseres Geräts ist ein kostengünstiger GNSS-Empfänger“, erklärt Dr. Makan Karegar vom Institut für Geodäsie und Geoinformation der Universität Bonn. Das sind Sensoren, die die Position ihres Standorts auf wenige Meter genau bestimmen können. Dazu nutzen sie unter anderem die GPS-Satelliten der USA sowie ihre russischen Pendants, GLONASS. „Mit Hilfe der Satellitensignale lässt sich aber auch der Abstand der GNSS-Antenne zur Oberfläche eines Flusses messen“, sagt Karegar.

Reflektierte Signale erlauben Rückschlüsse auf den Wasserstand
Denn die von den Satelliten ausgesandten Wellen werden nur zum Teil direkt von der Antenne aufgefangen. Der Rest wird von der Umgebung (in diesem Fall der Wasseroberfläche) reflektiert und gelangt über diesen Umweg zum Empfänger. Dieser reflektierte Anteil ist daher länger unterwegs. Er bildet bei der Überlagerung mit dem direkt empfangenen Signal bestimmte Muster, Interferenzen genannt. Aus ihnen lässt sich der Abstand der Antenne zum Wasserspiegel errechnen.

„Wir können das GNSS-Gerät an jeder Struktur anbringen, sei es einer Brücke, einem Gebäude oder einem Baum oder Zaun neben dem Fluss“, erläutert Karegar. „Von dort kann es berührungslos rund um die Uhr den Flusspegel messen – im Schnitt auf 1,5 Zentimeter exakt. Dabei ist es selbst im Falle eines Hochwassers nicht gefährdet.“ Die Genauigkeit des Verfahrens kommt zwar nicht an die eines radargestützten Pegelmessers heran. Für die angedachten Einsatzzwecke reicht sie aber voll und ganz aus. Zudem ist das Gerät mit knapp 150 Euro auch erheblich günstiger als sein High-Tech-Pendant.

Die GNSS-Antenne ist mit einem Minicomputer verbunden, einem sogenannten Raspberry Pi. „Das Gerät ist etwa so groß wie ein kleines Smartphone; dennoch hat es genug Leistung, um aus den Rohdaten den Wasserstand berechnen zu können“, betont Prof. Dr. Kristine Larson vom Institut für Geodäsie und Geoinformation. Der Minicomputer ist aufgrund seiner Flexibilität und seines geringen Stromverbrauchs unter Bastlern sehr beliebt, die damit verschiedenste Projekte realisieren. Er lässt sich problemlos über Solarzellen mit Strom versorgen und arbeitet dann völlig autark. Seine Messdaten übermittelt er per Mobilfunk.

Informationen zum Nachbau im Internet
„Die von uns geschriebene Software ist Open Source“, erläutert Larson. „Sie kann also von jedem ohne Gebühren genutzt werden.“ Im Internet stellen die Forschenden zudem sämtliche Informationen zu ihrem Projekt bereit. Interessentinnen und Interessenten können das Messgerät also problemlos nachbauen.

Einen Nachteil hat das Verfahren allerdings: Es ist nur für Flussläufe mit einer Breite von mindestens 40 Metern geeignet. „Das ist der kleinste Radius, aus dem die Antenne das reflektierte Satellitensignal empfängt“, sagt Karegar. „Wenn der Wasserlauf zu schmal ist, stammt ein zu großer Anteil der Reflektionen von Uferbereichen.“ Die Beteiligten planen aber, ihren Auswertungscode weiter zu optimieren. Sie hoffen so, auch bei kleineren Flüssen wie der Ahr noch zu sicheren Messergebnissen kommen zu können.

Beteiligte Institutionen und Förderung:
An der Studie war neben der Universität Bonn die Federal University of Rio Grande do Sul in Brasilien beteiligt. Das Projekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), das National Council for Scientific and Technological Development Brasilien (CNPq) sowie die Rio Grande do Sul State Research Funding Agency (Fapergs) gefördert.

Weitere Informationen:
https://github.com/MakanAKaregar/RPR

Originalpublikation:
Makan A. Karegar et al.: Raspberry Pi Reflector (RPR): A Low-cost Water-level Monitoring System based on GNSS Interferometric Reflectometry; Water Resources Research; DOI: 10.1029/2021WR031713; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2021WR031713;

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