EML Batch 3.2: Experimentdurchführung on-Orbit auf der ISS abgeschlossen

Der Elektromagnetische Levitator

EML ist eine Anlage zum berührungsfreien Prozessieren metallischer Legierungen. Die Probe wird dabei in einer Spule durch ein elektromagnetisches Wechselfeld in der Schwebe gehalten und kann dabei vermessen werden. Untersucht werden dabei zum Beispiel thermophysikalische Eigenschaften der Schmelze wie Viskosität, Oberflächenspannung, Dichte, elektrische Leitfähigkeit und spezifische Wärme sowie das Erstarrungsverhalten der Probe, d.h. Messung der Geschwindigkeit und Form der Erstarrung. Im Gegensatz zu erdgebundenen Anlagen sind dabei aufgrund der fehlenden Schwerkraft nur kleine Kräfte bzw. Felder vonnöten, um die Probe auf Position zu halten. Das behälterfreie Verfahren ermöglicht es auch Messungen reaktiver Materialen sowie im metastabilen Zustand der unterkühlten Schmelze durchzuführen. EML ist modular aufgebaut und ist im European Drawer Rack (EDR) im Columbus Modul der ISS untergebracht. Die Anlage wurde von ESA und DLR finanziert und durch Airbus DS gebaut.

Wissenschaftler des DLR-MP waren über verschiedene internationale Projekte an den Experimenten beteiligt, teilweise als Projektkoordinatoren (Dr. Matthias Kolbe, Dr. Thomas Volkmann). Jedes EML Batch besteht aus 18 Proben, die in der EML Probenkammer untergebracht werden können. Der zweite Teil der Batch 3 Experimente, Batch 3.2 wurde jetzt abgeschlossen.

Begonnen wurde die Durchführung der ISS-Experimente des Batch 3.2 am 4. April 2022 an einer ZrNb_2,5O_0,11Fe(x) Probe, einer kommerziellen reaktorgradigen Zirkonium-Legierung.

Weitere prozessierte Proben:

• ZrSn_1,3Fe_0,2Cr_0,1O_0,13: Zirkaloy-4: kommerzielle reaktorgradige Zirkonium-Legierung,
• Co_38,5Si_61,5: eutektische Verbund-Verbund Modelllegierung,
• Fe₇₂Cr₁₃Ni₁₅: kommerzieller D₂-Stahl,
• Fe₇₂Cr₁₇Ni₁₁: kommerzieller D₂-Stahl,
• Fe₉₀Ni₁₀: schwach-magnetisches Metall,
• Si₉₅Ge₅: thermo-elektrische Modellegierung, Bor-dotierte Halbleiterprobe

Insgesamt konnten 288 Schmelzzyklen an den 7 Probensystemen durchgeführt werden, darunter auch:

• Messungen der elektrischen Leitfähigkeit und Dichte im festen sowie flüssigen Zustand der Proben,
• Aufnahmen der Erstarrungskinetik mit einer Hochgeschwindigkeitskamera,
• kalorimetrische Messungen zur Bestimmung der hemisphärischen Emissivität sowie spezifischen Wärmekapazität im festen sowie flüssigen Zustand der Proben,
• Messungen thermophysikalischer Eigenschaften, i.e. der Viskosität und Oberflächenspannung über die Video-Aufnahme erzwungener Schwingungen der untersuchten Proben im flüssigen Zustand.

Die Erstarrungsexperimente wurden unter verschiedenen Konvektionsbedingungen durchgeführt, welche durch elektromagnetisches Rühren über unterschiedlich starke Applikation des Heizer-Feldes, während der Abkühlung der Schmelzen, erreicht wird. Das Einstellen unterschiedlicher Konvektionsbedingungen ist ein weiterer Vorteil gegenüber erdgebundenen Levitationsanlagen, da dort immer ein starkes elektromagnetisches Rühren präsent ist, um die die Probe gegen die Schwerkraft zu levitieren. In den EML Experimenten kann dadurch der Einfluss der Konvektion auf die Erstarrung modelliert werden.

Verschiedene Kühlraten konnten zudem durch Prozessierung unter Ultrahochvakuum (55 Experimentzyklen) oder Gasatmosphäre, i.e. in Argon- (183 Experimentzyklen) bzw. Helium-Atmosphäre (50 Experimentzyklen) erreicht werden. Auch der mögliche Einfluss verschiedener Überhitzungen beim Aufschmelzen auf die erreichten Unterkühlungen beim Erstarren wurde untersucht.

Die High-Speed-Kamera im EML erlaubt Aufnahmen mit bis zu 45 kHz Aufnahmerate, um die schnellen Erstarrungsprozesse untersuchen zu können. Aufgrund der mehrsekündigen Verzögerungen der Prozessbeobachtung bzw. Kommandierung, die sich aufgrund des Datenpfades durch das Bodensegment über die TDRIS-Satelliten im Orbit, bis zum EML auf der ISS und zurück ergeben, werden die Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen über eine softwaretechnische Erstarrungserkennung – anders als im Bodenlabor oder im Parabelflug - automatisch getriggert. Die beobachteten Unterkühlungen der erstarrten Schmelzen reichten tief bis zu 310 Kelvin. Die Messungen wurden nachts durchgeführt, während des offiziellen „Crew-Sleep“ auf der ISS, um den Einfluss der Crewaktivitäten auf die Restbeschleunigungen in Columbus möglichst klein zu halten. Unterstützende Crew-Aktivitäten während der Tagzeiten umfassten mechanische Änderungen des Kameramodus sowie der Gaskonfiguration.