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Studentenexperiment

Galaktische Forschung: Mechanikfreie Miniaturpumpe an Bord der ISS

| Autor / Redakteur: Manfred Ehresmann* / Dr. Ilka Ottleben

Abb. 1 Das Papell-Experiment auf dem Weg zur ISS
Abb. 1 Das Papell-Experiment auf dem Weg zur ISS (Bild: Saskia Sütterlin/KSat e.V.)

Hoch hinaus ging es für ein Experiment von Stuttgarter Studenten. Sie haben ein Modell für eine wartungsfreie und kostengünstige Pumpe entwickelt, die künftig auf Langzeitmissionen im All eingesetzt werden könnte. Derzeit wird die Miniaturpumpe auf der Internationalen Raumstation (ISS) auf Herz und Nieren geprüft.

Für die Raumfahrt stellen mechanische Komponenten immer eine Herausforderung dar. Obwohl hier stets höchste Sorgfalt geübt wird, ist die Funktionalität von Mechanik nie zu garantieren und es werden kostspielige und langwierige Tests notwendig. Belastend für solche Bauteile ist nicht nur ein Raketenstart mit starken Vibrationen und hohen Beschleunigungen, das Vakuum des Weltraums, starke Strahlung oder starke Temperaturschwankungen, sondern auch die Tatsache, dass ein Einsatz erst viele Jahre später gefordert ist.

Dreifache Kometenlandung

Ein Beispiel für die Unzuverlässigkeit von Mechanik nach langer Ruhezeit ist die Rosetta-Sonde der ESA, welche im Jahr 2004 gestartet wurde. Das Ziel, der Komet 67P/Churyumov-Gerasimenko, wurde erst 2014 erreicht. Der Lander Philae sollte gezielt auf dem Kometen aufsetzen und mithilfe einer Düse und Harpune fixiert verwendet wurde. Leider versagte sowohl der Auslösemechanismus der Harpune als auch der Schubdüse und aus der ursprünglich geplanten einfachen Landung wurde eine Dreifache. Glücklicherweise konnten auch an der neuen Landestelle die geplanten Experimente des Landers durchgeführt werden.

Pumpen in der Raumfahrt

Ein weiteres Feld hochmechanischer und daher relativ anfälliger Komponenten in der Raumfahrt sind Pumpen. In Schwerelosigkeit gibt es keine natürliche Konvektion und Flüssigkeit in einem Kühlkreislauf, oder auch Luft auf einer Raumstation, müssen aktiv bewegt werden. Damit ein Antriebssystem funktionieren kann, ist es notwendig, Treibstoff von einem oder mehreren Tanks zu einer Brennkammer oder einer Düse zu transportieren. Üblicherweise kommen hier Turbopumpen zum Einsatz. Diese bestehen aus einer Vielzahl mechanischer Teile wie Schaufeln, Lagern, Zylindern und mehr. Um deren Funktionalität zu gewährleisten, müssen hier hochwertige Komponenten und Materialien zum Einsatz kommen. Das ist mit hohen Kosten verbunden und auch dann kann keine absolute Funktionsgarantie gegeben werden.

Ferrofluid in der Raumfahrt

Schon der NASA-Ingenieur Steve Papell erkannte frühzeitig dieses Problem und entwickelte 1963 einen magnetisierbaren Raketentreibstoff – das erste Ferrofluid – mit dem Ziel, mechanische Teile an Bord von Raumfahrzeugen zu reduzieren. Ferrofluide sind Flüssigkeiten, die eine Suspension magnetisierbarer Nanoteilchen enthalten. Diese sind ungestört magnetisch neutral. Bei Anwesenheit starker Magnetfelder wird die Flüssigkeit jedoch magnetisiert und vom Magnetfeld angezogen.

Papells Idee war es, einen Permanentmagneten an einer Brennkammer anzubringen, damit der ferrofluide Treibstoff selbstständig zu seinem Bestimmungsort findet.Nach ihm ist auch das Experiment PAPELL (Pump Application Using Pulsed Electromagnets for Liquid reLocation) benannt, welches von Studierenden der studentischen Kleinsatellitengruppe der Universität Stuttgart und dem Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart entwickelt wurde. Das Experiment ist am 29.06.2018 um 11:41 EST von Cape Canaveral zur ISS gestartet (s. LP-Info auf der nächsten Seite). Dort befindet sich derzeit auch der deutsche ESA-Astronaut Alexander Gerst auf seiner zweiten Mission im All. Während seines sechsmonatigen Aufenthalts auf der ISS wird Gerst wissenschaftliche Experimente wie Papell betreuen und durchführen.

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