Flüssigkeiten kochen im Weltraum anders

Schwerelosigkeit-Experiment hilft bei Entwurf neuer Raketentanks

Am 13. Februar 2012 hob die Höhenforschungsrakete Maser-12 vom Esrange Space Center unweit der nordschwedischen Stadt Kiruna ab und absolvierte ihren etwa sechsminütigen Flug im Dienste der Schwerelosigkeits-Forschung. Mit an Bord befand sich ein Experiment vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) mit dem untersucht werden sollte, welche Prozesse im Falle der spontanen Erhitzung einer Flüssigkeit auftreten. Die Ergebnisse sollen einen ersten Anhaltspunkt zu der Frage liefern, was im Treibstofftank eines Raumfahrzeugs passiert, wenn dieser einer starken Wärmequelle ausgesetzt wird.

Das Experiment SOURCE 2 (Sounding Rocket Compere Experiment) ist das zweite innerhalb der ESA-Versuchsreihe, in dem beobachtet wird, wie sich eine Testflüssigkeit in einem Behälter verhält, der extrem unterschiedliche Temperaturzonen hat. In sehr vereinfachter Form kennen wir die auftretenden Phänomene vom Wasserkochen in einem Kochtopf. An der heißesten Stelle des Kochtopfs beginnt das Wasser zu sieden. Das heißt, beim Verdampfungsprozess bilden sich Blasen, die als heißer Dampf aus der Flüssigkeit aufsteigen. Ein Teil dieses heißen Dampfes trifft auf den kühleren Deckel des Kochtopfs, wo er wieder zu Wasser kondensiert.

Diese Verdampfungs- und Kondensationseffekte konnten nun unter Schwerelosigkeit beobachtet werden. Dazu wurde ein Glaszylinder am oberen Ende auf ca. 130°C erhitzt und am Boden mit Hilfe einer Kühlplatte auf 35°C gehalten. Nach dem Start der Maser-12-Rakete wurde der Zylinder mit kühler Testflüssigkeit (Hydrofluorether) und 150° C heißem Dampf desselben Stoffs befüllt. Aus dem Videomitschnitt wird sofort deutlich, dass sich dort, wo die Flüssigkeit die heißen Wände der Testzelle berührt, Blasen bilden. Durch die fehlende Gravitation steigen diese Blasen aber nicht auf, sondern werden von der vorherrschenden Strömung mitgenommen.

Einfluss der Kondensation stärker als Verdampfungseffekt

Von besonderem Interesse ist auch die Auswertung der Druckverhältnisse während des Experiments. Durch die Verdampfung der Flüssigkeit an der heißen Wand steigt der Druck im Innern des geschlossenen Zylinders. Durch die Kondensation des heißen Gases an der kühleren Flüssigkeit hingegen sinkt der Druck. Überraschenderweise konnte das ZARM-Team beobachten, dass der Einfluss der Kondensation stärker war als der Verdampfungseffekt - der Druck also abfiel anstatt zu steigen. Für die Frage, wie ein Treibstofftank im Weltraum auf eine kurzfristige, partielle Überhitzung reagiert und ob - oder auch wie lange - die Wechselwirkung von Verdampfung und Kondensation die Entstehung eines Überdrucks verhindert, ist dieses Ergebnis ein wichtiger Anhaltspunkt.

Die Auswertung der gesamten Daten der dreiminütigen Versuchsphase wird voraussichtlich noch Monate dauern. Die ZARM-Wissenschafter versprechen sich aber weitere wichtige Erkenntnisse für das Tankdesign zukünftiger Raketentriebwerke, die mit kryogenen Treibstoffen wie flüssigem Wasserstoff oder Sauerstoff betrieben werden.

Bereits im Mai 2008 konnten wertvolle sechs Minuten Experimentdauer unter Schwerelosigkeit auf der MASER-11 für das erste SOURCE-Experiment genutzt werden. Beide Experimente sind eingebunden in das "Microgravity Application Program" der ESA. SOURCE 2 wurde in Zusammenarbeit mit Air Liquide Grenoble, Toulouse IMFT und EADS Astrium Bremen durchgeführt. Die Hardware und der Flug wurden von der European Space Agency (ESA) finanziert, das Wissenschaftlerteam des ZARM vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). (red)