Im Mittelpunkt standen die Modellexperimente zum Transport in Flüssigkeiten unter dem Einfluss von Schwerelosigkeit. Als neues Experiment wurden Tropfen, die aus nicht mischbaren Flüssigkeiten zusammengesetzt waren, untersucht. Alle Experimente befinden sich zur Zeit in der Auswertung.
Modellexperimente unter Schwerelosigkeit zum Transport in Flüssigkeiten
Diffusionsversuche Diffusion (Transport von atomaren Teilchen) und Konvektion (Transport durch Strömung) sind die wichtigsten physikalischen Prozesse beim Kristallwachstum und in der Metallurgie. Um die Prinzipien der Diffusion besser verstehen zu können, ist es notwendig exakte Daten über die Diffusionskoeffizienten zu erhalten.Während die Diffusionskoeffizienten auf der Erde hauptsächlich durch Schwerekonvektion vergrößert werden, minimieren sich diese Fehler unter Mikrogravitation. Bei Experimenten auf der Raumstation MIR wurde jedoch festgestellt, dass Vibrationen des Messaufbaus ebenfalls zu einer deutlichen Erhöhung des gemessenen Diffusionskoeffizienten führen können.
Um diese Effekte zu quantifizieren wurde vorgeschlagen, Modellexperimente während eines Parabelfluges durchzuführen. Anstelle von Diffusionsexperimenten in flüssigen Metallen nutzte man den schnelleren Wärmetransport in Wasser. Die Ausgangstemperatur des Wassers betrug 80°C bzw. 5°C. Auf einer oszillierenden Experimentierplattform (vgl. Abb.1) wurden zwei Experimentaufbauten (Scherzelle & Flowing Junction Cell) installiert, die zeitgleich betrieben werden konnten.
Scherzelle Die Grundform des Diffusionsexperiments, die bei den bis dato durchgeführten Parabelflugkampagnen getestet wurde, ist die Scherzelle.
Die in Abb. 2 dargestellte Scherzelle besteht aus zwei Plexiglasplatten - einer Oberen und einer Unteren. In den Zellen befinden sich jeweils drei Kapillaren. Sie können mit verschiedenen Flüssigkeiten befüllt werden.
Ein typischer Versuch verläuft wie folgt:
Nun stehen die Kapillaren A & E sowie B & F übereinander, wodurch sich heißes und kaltes sowie farbiges und farbloses Wasser mischen.
Mit Hilfe der Thermoelemente in den Kapillaren A und E werden während den Versuchen die Temperaturänderungen in verschiedenen Höhen aufgenommen. Die Beobachtungen in B & F dienen der Abschätzung des Einflusses des Scherwirbels. Beide Kapillaren werden mit einer Kamera gefilmt, um die Schergeschwindigkeit zu messen und mögliche Luftblasen zu detektieren.
Flowing Junction CellMit der Flowing Junction Cell kann dynamisch d.h. durch das Gegeneinanderströmen von zwei Flüssigkeiten eine scharfe Granzfläche aufgebaut werden. Die Flowing Junction Cell besteht aus zwei Blöcken, die jeweils mit einer 4mm großen Kapillare versehen sind. An der Schnittstelle der beiden Blöcke befinden sich zwei Kanäle, durch die das Wasser austreten kann. Auch die FJC ist mit Thermoelementen bestückt, die der Aufnahme der Flüssigkeitstemperaturen dienen.
Ein typischer Versuch läuft wie folgt ab:
Compound Drop
Wenn sich Tropfen zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten berühren, geschehen in der Regel zwei Dinge:
Unter Schwerkraftbedingung bilden Cyclohexan und Methanol mit geringem Zusatz von Wasser eine Schichtung mit der Besonderheit, dass spezifisch schwerere Methanoltropfen auf dem Cyclohexan schwimmen können. Es soll geprüft werden, wie sich unter Schwerelosigkeit ein gemeinsamer Tropfen in diesem System ausbildet. Dazu wurde ein Experimentaufbau entwickelt:Die Flüssigkeiten befinden sich gemeinsam in einer Spritze und werden bei Schwerelosigkeit langsam durch eine Kanüle in einen Beobachtungsraum gedrückt.
Hierbei bildet sich ein Tropfen mit einem ungefähren Durchmesser D= 8mm, der an der Kanüle hängt. Bei Wiedereintritt der Schwerkraft löst sich der Tropfen der in diesem Moment kräftefrei ist.