Zukünftige kryogene Messtechnik

Experimente zur kryogenen Treibstoffhandhabung benötigen eine umfangreiche Instrumentierung mit Sensoren, um alle relevanten physikalischen Größen und Effekte zu erfassen. Ziel ist ein detailreicher experimenteller Einblick in die Temperaturverteilung, Phasenübergänge (flüssig-gasförmig), Füllstände und freie Flüssigkeitsoberflächen, sowie das Flüssigkeitsschwappen. Dies ermöglicht auch einen Vergleich mit Computersimulationen (CFD, Computational Fluid Dynamics) und eine Validierung der dort eingesetzten Computercodes.

Die Abteilung Transport- und Antriebssysteme beschäftigt sich daher auch mit der Erprobung neuer Sensorprinzipien in kryogenen Flüssigkeiten. Gemeinsam mit universitären und industriellen Partnern werden

Vertikales Temperaturprofil in einem mit flüssigem und gasförmigen Wasserstoff gefüllten Kryo-Behälter.
  • Glasfasersensorik
  • Ultraschalltomographie (ISAT Coburg)
  • Elektrische Kapazitätstomographie (Universität Bayreuth)

untersucht. Die Tests erfolgen in flüssigem Stickstoff (LN2) bei -196 °C sowie flüssigem Wasserstoff (LH2) bei -252 °C.

Glasfasersensorik ermöglicht die ‚verteilte‘ Erfassung von Temperaturfeldern. Mit einer Messfaser kann eine Vielzahl von Messpunkten realisiert werden, wie das Beispiel der Temperaturverteilung in einem mit Wasserstoff gefüllten Kryo-Behälter zeigt. Dabei kommt Sensorik basierend auf Rayleigh-Backscatter sowie Fiber-Bragg-Gratings zum Einsatz.

Blick durch ein optisches Faserbündel auf einen Folienheizer in flüssigem Stickstoff

Optische Glasfaserbündel erlauben Einblicke in Experimenttanks ohne Zugangsfenster oder Kameras im Behälter. Das Bild wird durch ca. 105 gebündelte optische Fasern übertragen, wobei das Bündel und sein Sichtfeld vor dem Abkühlen flexible ausgerichtet werden können.

Mittels Elektrischer Kapazitätstomographie und Ultraschalltomographie werden Gasblasen, Gasströme sowie Füllstände in der kryogenen Flüssigkeit quantitativ erfasst.

Das DLR führt Teile der Arbeiten im ESA TRP-Projekt CryoSense (Advanced Measurement Technologies for Cryogenic Flows in Reduced Gravity) aus und kooperiert mit den Partnern ISAT (Institut für Sensor- und Aktortechnik der Hochschule Coburg) www.isat-coburg.de/ , dem Lehrstuhl für Mess- und Regeltechnik der Universität Bayreuth  http://www.mrt.uni-bayreuth.de/de/index.html sowie Airbus D&S.