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Studentenexperiment

Galaktische Forschung: Mechanikfreie Miniaturpumpe an Bord der ISS

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Das Papell-Experiment

Beim ISS-Experiment Papell spielen schaltbare Elektromagneten mit einzelnen Ferrofluidtropfen zusammen. Das Grundprinzip der Flüssigkeitsbewegung ist wie folgt: Ein Tropfen befindet sich in der Nähe eines Elektromagneten. Wird dieser aktiviert, magnetisiert sich das Ferrofluid und fließt zum Zentrum des aktiven Elektromagneten. Durch eine Abfolge weiterer Aktivierungen von Nachbarmagneten sowie Deaktivierung der vorangehenden Elektromagneten wird somit eine stückweise diskrete Bewegung einzelner Tropfen realisiert. Das Experiment besteht aus zwei separaten Experimentbereichen, welche verschiedene Anwendungsfälle untersuchen.

Experimentbereich 1

Im ersten Bereich sind 37 Elektromagneten in Honigwabenstruktur auf einer Ebene angeordnet. Da das Ferrofluid sich hier relativ frei bewegen kann, werden die vier grundlegenden Mikrofluidikfunktionen – Erzeugung, Transport, Spaltung und Verschmelzung von Tropfen – demonstriert und untersucht. Zunächst wird auf konventionellem Weg Ferrofluid in den Experimentbereich gepumpt. Von da an übernehmen Elektromagneten die Manipulation des eingebrachten Fluids.

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Zu Beginn entspricht die eingebrachte Menge etwas mehr als dem Durchmesser eines einzelnen zu benetzenden Elektromagneten. Damit wird sichergestellt, dass stets ausreichend Fluid Kontakt mit dem Magnetfeld eines aktiven Elektromagneten in der Nähe hat.

Die Spaltung des Tropfens erfolgt beispielsweise indem drei Elektromagneten gleichzeitig aktiv sind. Hier verteilt sich dann Ferrofluid gleichmäßig auf diesen. Durch Abschalten des mittleren Elektromagneten verteilt sich das Ferrofluid auf die verbleibenden Aktiven und eine Spaltung in zwei kleinere Tropfen erfolgt. Die Verschmelzung einzelner Tropfen funktioniert auf umgekehrte Weise, wobei eine Untergrenze für minimale Tropfengröße experimentell untersucht wird.

Über solche Verfahren können Fluidströme eingestellt werden. Beispielsweise können so Massenstromregler, welche die Menge an gefördertem Treibstoff oder Kühlmittel einstellen, realisiert werden. Des Weiteren wird in diesem Experimentbereich untersucht, welche Möglichkeiten und Einschränkungen bezüglich des Transports von einzelnen und mehreren Ferrofluidtropfen auf bestimmten Pfaden existieren. Als künftige Anwendung dieser Experimente ist beispielsweise eine flexibel einstellbare Kühlung oder Heizung von Raumfahrtstrukturen durch erzwungene Konvektion mithilfe von Ferrofluiden denkbar. Wird Ferrofluid in Kreisbewegungen transportiert wird ein Drehmoment erzeugt, mit dessen Hilfe sich ein Satellit oder Raumfahrzeug ausrichten lässt. Darüber hinaus resultiert hier eine Stromdichte im elektrotechnischen Sinne, sodass der Kreis auch mit dem Erdmagnetfeld interagieren könnte.

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LP-Info: Das Papell-Experiment

Das Papell-Experiment ist eines von drei Gewinnerteams des „Überflieger“-Wettbewerbs des Deutschen Zentrum für Luft-und Raumfahrt (DLR), welcher 2017 ausgeschrieben wurde. Dabei gab es für studentische Teams aus Deutschland die Gelegenheit, einen Experimentvorschlag für eine 30-tägige Durchführung auf der ISS einzureichen. Die Größe des Experiments war dabei auf ein Volumen von 10 x 10 x 15 cm3 beschränkt. Das Papell-Experiment ist am 29.06.2018 um 11:41 EST von Cape Canaveral auf einer Falcon9-Rakete von SpaceX zur ISS gestartet. Eine Kommunikationsverbindung besteht, um weitere Experimentpläne hochzuladen und Daten teilweise herunterzuladen. Eine Rückkehr der Hardware mit vollständigem Datenset wird Ende 2018 erwartet.

Experimentbereich 2

Der zweite Experimentbereich hingegen hat mit seinen Abmaßen von 70 x 70 mm2 bereits starke Ähnlichkeit zu einem Chiplabor. Neben Ferrofluid und einem Gas–Luft-Gemisch werden hier auch einzelne Festkörper mithilfe von Ferrofluidtropfen transportiert. Ein Rohrsystem aus zwei Kreisläufen ist über einer entsprechenden Anordnung aus Elektromagneten angebracht. Ein einzelner Ferrofluidtropfen verschließt dabei den Rohrquerschnitt. Durch die Bewegung des Tropfens wird auf diese Weise auch Gas transportiert. Zwei Tropfen in synchroner Bewegung können nun eine definierte Menge Gas durch das System transportieren.

Ebenfalls ist denkbar, eine Flüssigkeit, welche nicht in Ferrofluid lösbar ist, mit dieser Methode zu transportieren. Um die Komplexität des ISS-Experiments jedoch nicht weiter zu erhöhen, wurde hierauf verzichtet.

Kleine Feststoffkügelchen stellen den dritten Aggregatzustand dar, der im Papell-Experiment mechanikfrei transportiert wird. mithilfe von Schrittmotoren werden die Kügelchen aus den Einbuchtungen ihrer Haltescheiben ins System geschleudert. Besonders spannend ist hier das zu beobachtende Verhalten in Schwerelosigkeit: Wie gut wird der Feststoff-Transport funktionieren? Wie tief sinken die Kügelchen in einen Ferrofluidtropfen ein? Und ist der Experimentaufbau in der Schwerelosigkeit fähig, die Kügelchen an den scharfen Ecken des Experimentbereichs vorbei zu transportieren?

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