Schwerelos forschen

Siedeexperiment auf der ISS erfolgreich abgeschlossen

18.03.2020

Im Weltall läuft vieles in Zeitlupe. Das machen sich Forschende der TU Darmstadt zunutze. Ihr Ziel: Sie wollen dem physikalischen Prozess des Siedens genauer auf den Grund gehen.

Robin Behle (links) und Axel Sielaff führen im Labor des TTD Untersuchungen zum Strömungsfeld durch.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts für Technische Thermodynamik (TTD) haben unter dem Dach der ESA und mit internationalen Partnern den Versuch entwickelt und für seinen Einsatz auf der Internationalen Raumstation ISS auf Schuhkartongröße verkleinert. Nach seiner Ankunft auf der ISS im Juli 2019 wurden von September 2019 bis Februar 2020 mit Hilfe des Experiments RUBI (Reference Multiscale Boiling Investigation) 2353 Experimente im All erfolgreich gefahren. Seit Beginn der Messungen wurden allein aus diesem Projekt rund 18 Terabyte Daten, darunter rund 17 Millionen Bilder, von der Raumstation auf die Erde geschickt.

„Effizientere Produkte entwickeln"

Auf Basis dieser Messdaten und von Vergleichsdaten, die bei Parabelflügen erhoben wurden, wollen die Expertinnen und Experten präzisere Modelle für den Prozess der Wärmeübertragung entwickeln. „Für die Übertragung von Energie in Form von Wärme ist das Sieden eines der effizientesten Verfahren überhaupt“, erläutert Dr.-Ing. Axel Sielaff, Wissenschaftler am TTD. Für das Verständnis dieses Prozesses ist es entscheidend, die physikalischen Phänomene genauer als bislang zu analysieren, die rund um die Bildung der beim Siedevorgang entstehenden Dampfblasen ablaufen. Die Schwerelosigkeit macht es möglich: Hier entwickeln sich die Blasen deutlich langsamer und sie werden gleichzeitig deutlich größer als im Labor auf der Erde.

Die Ergebnisse aus dem RUBI-Experiment könnten wegweisend sein nicht nur für eine umweltschonendere Kühlung und Beheizung von Geräten und Anlagen auf der Erde, zum Beispiel Computern, Rechenzentren, Klimaanlagen, Batterien oder Kraftwerken, sondern auch für die Optimierung der Wärmeregelungssysteme von Satelliten oder Raumfahrzeugen, sagt Experte Sielaff. „Mit unserer Grundlagenforschung wollen wir die Basis legen für die Entwicklung von Produkten, die nicht nur kompakter und sicherer werden, sondern vor allem auch effizienter“.

Das Experiment

Das Siedeexperiment RUBI (Reference Multiscale Boiling Investigation) ist Teil des Fluid Science Laboratory (FSL) im europäischen ISS-Forschungsmodul Columbus. Ein in Darmstadt entwickelter und gebauter Heizer erhitzt ein Kältemittel. Ein Laser zündet einzelne Blasen an einem definierten Ort. Eine Hochgeschwindigkeitskamera erfasst die gesamte Entwicklung dieser Blasen, eine Infrarotkamera misst die Temperatur der erhitzten Region. RUBI beinhaltet außerdem eine Pumpe, die eine Scherströmung erzeugt, also das Fluid kontinuierlich von einer Seite über die beheizte Oberfläche fließen lässt. Mittels einer Elektrode kann im Versuchsraum auch eine Hochspannung erzeugt werden, um den Einfluss eines elektrischen Feldes auf die Blasenentwicklung zu untersuchen. Die Versuche werden auf der ISS gespeichert, können aber auch von der Erde aus live verfolgt werden.

Das Konsortium

Unter Koordination von Prof. Dr.-Ing. Peter Stephan, Leiter des Instituts für Technische Thermodynamik (TTD) an der TU Darmstadt, beteiligen sich 14 Universitäten und Forschungsinstitutionen aus Europa, Russland, Japan und den USA an RUBI darunter das Department of Energy, Process and System Engineering der Universität PISA, das Institut de Mécanique des Fluides von Toulouse (IMFT) und die Multiphase Dynamics Group der Aristoteles Universität von Thessaloniki. Das Experiment wird finanziert von der European Space Agency (ESA), wurde gemeinsam mit Airbus Defence & Space entwickelt und wird gesteuert vom Belgian User Support and Operations Centre (B-USOC). Um die im Zuge von RUBI entwickelten Auswertemethoden zu bündeln und gemeinsam zu optimieren hat das TTD das Programm Code exchAnge for RUBI Analysis Tools (CARAT) initiiert, auf das alle Forschungspartner Zugriff haben. RUBI ist an der TU Darmstadt angesiedelt im Profilbereich Thermo-Fluids & Interfaces.