DE20213955U1

DE20213955U1 - Vorrichtung zum Experimentieren unter Weltraumbedingungen

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Publication number: DE20213955U1
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Priority date: 2002-09-09
Filing date: 2002-09-09
Publication date: 2003-05-15
Anticipated expiration: 2012-09-10

Description

Vorrichtung zum Experimentieren unter Weltraumbedingungen

Die Neuerung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Experimentieren unter Weltraumbedingungen. Es wird ein Laborsystem dann schwerelos genannt, wenn in ihm keine äußeren Beschleunigungen gemessen werden. Dies ist auf allen Bahnen möglich, die im Schwerefeld der Erde antriebslos möglich sind. Die Trägheitskraft kompensiert dann die Schwerkraft. Je nachdem, welche äußeren Einflüsse wirken, ist dessen Kompensation mehr oder weniger gut.

Es ist bereits bekannt, mit Schwerelosigkeit zu experimentieren, ohne in den Weltraum zu fliegen. Hierzu bietet beispielsweise der Fallturm Bremen (ein in Europa einzigartiges Großlabor) internationalen Wissenschaftlern die Möglichkeit zu erdgebundenen Experimenten unter kurzzeitiger Schwerelosigkeit. Im freien Fall über eine Höhe von 110m ist es mit einer Fallkapsel in der Anlage möglich, bis zu dreimal täglich für jeweils 4,74 Sekunden den Zustand der Schwerelosigkeit zu erreichen.

In den USA stellt die NASA zum Zwecke der Ausbildung einen sehr simpel aufgebauten Schwerelosigkeitsdemonstrator zur Verfügung. Die Vorrichtung ist als NASA Educational Product: "The Microgravity Demonstrator" im Internet beschrieben unter:

http://spacelink.nasa.gov/Instructional.Materials/NASA. Educational.Products/Microgravity.Demonstrator/Microgra vity.Demonstrator.pdf

Der NASA-Fallturm besteht aus einem Aluminium-Galgen, an dessen oberen Ende eine Rolle befestigt ist. Durch die Rolle geführt wird ein dünnes Seil, an dessen Ende die Fallkapsel hängt, in der sich die Experimente befinden. Auf diese Weise kann die Fallkapsel an dem Seil nach oben gezogen werden. Wird das Seil losgelassen, so fällt die Fallkapsel maximal zwei Meter nach unten, was einer Fallzeit von etwa 0,6 s entspricht. Am seinem unteren Ende ist der Galgen am geöffneten Transportkoffer befestigt, der gleichzeitig auch als Auffang- und Abbremsbehälter für die Fallkapsel dient. Im auseinander gebauten Zustand kann der Mini-Fallturm in dem Koffer transportiert werden. Es stehen einfache Experimente zur Demonstration der Mikrogravitation zur Verfügung. Sie werden während des Falls durch eine analoge Kamera gefilmt, die über ein Schleppkabel mit einem Bildschirm verbunden wird.

Aufgabe der Neuerung ist es, zum Zwecke der Aus- und Weiterbildung bzw. Nachwuchsförderung eine mobile raumhohe Vorrichtung zum Experimentieren unter Weltraumbedingungen mit einfachen Mitteln zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt neuerungsgemäß durch Vorrichtungen gemäß Anspruch 1 oder 6.

Weiterbildungen werden durch die Merkmale der Ansprüche 2 bis 5 oder 7 und 8 gekennzeichnet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die Ausbildungen gemäß den Ansprüche 9 bis 12 gekennzeichnet.

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Weitere Merkmale betreffen die Experiment, diese sind durch die Ausbildungen gemäß den Ansprüche 13 bis 16 gekennzeichnet.

Die Vorteile der Neuerung besteht darin, daß aufgrund der neuen magnetischen Abwurfvorrichtung und durch die kabellose Videobildübertragung die Schwerelosigkeitsqualität maßgeblich verbessert wird. Dies ist ganz besonders wichtig für ein störungsempfindliche Flammenexperiment.

Es ist erstmalig durchführbar, einen Mini-Fallturm durch ein Katapult zu erweitern, wodurch sich die Mikrogravitationszeit auf etwa 1,1 s verlängert wurde. Das entwickelte Zugfeder-Katapult ist verglichen mit anderen Beschleunigungssystemen sehr sicher und arbeitet zuverlässig.

Das modulare Fallturm-Gestell ist in der Höhe erweiterbar, kann transportabel ausgeführt werden und bietet bei geringem Gewicht hohe Stabilität.

Die Fallkapsel bietet ein hohes Maß an Flexibilität und kann neben den bestehenden Experimenten auch neue Entwicklungen einfach aufnehmen.

In der Zeichnung (s. Abb. 1-3) sind Ausführungsbeispiele der Neuerung schematisch dargestellt. Es zeigen:

1	Turmgestell
2	Auffangbehä
3	Fallkapsel
4	Haltemagnet
5	Zugfeder
6	Leine
7	Kamera
8	Experiment
9	Funkmodul

Zur Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist folgendes zu bemerken:

Turmgestell/Katapult:

Das teilbare, leicht zu transportierendes Turmgestell (1, 2) kann frei stehen und erinnert mit zwei Säulen und einer oberen Verbindungsstange an einen Türrahmen. Die Höhe und damit die zur Verfügung stehen Fallstrecke kann über modulare Säulenelemente variiert werden. Das Gestell hat zum einen die Aufgabe das Laborsystem Fallkapsel zwischen den beiden Grundsäulen in Ausklinkhöhe zu halten, um dann den freien Fall auszulösen (Abb. 1) . Als ein auf den freien Fall besonders rückwirkungsfreies Ausklinksystem haben sich dafür Elektromagneten bewährt. Zum anderen erlaubt das stabile Aluminiumgestell den Einbau eines Katapults (Abb. 2a, 2b) . In diesem Fall wird die Fallkapsel in Bodennähe mit einem Elektromagneten gehalten, sie ist

dann über eine Leine und eine Zugfeder im Turmgestell gespannt. Die gespeicherte Energie der Feder wird zur Beschleunigung der Fallkapsel genutzt. Ist nach dem Ausklinken die Feder entspannt und die Beschleunigung abgeschlossen, dann beginnt die antriebslose Schwerelosigkeitsphase.

Fallkapsel:

Das eigentliche Laborsystem ist die Fallkapsel (Abb. 3), sie beherbergt das Experiment, eine miniaturisierte CCD-Kamera und eine Videofunkeinheit. Die Videoinformationen werden über eine Bildverarbeitungskarte digital einem PC zur Verfügung gestellt. Die gelochte Grundplatte der Kapsel ermöglicht den flexiblen modularen Einbau verschiedener Experimente und der Kameraabstand kann individuell erfolgen. Je nach Schwerpunktverteilung kann der ferritische Halteteller zum Zwecke der waagerechten Halterung am Elektromagneten bzw. die Halteösen als Verbindung zur Katapultleine an verschiedenen Punkten befestigt werden.

Experimente:

Trotz kurzer Fallzeit ist eine Vielzahl von Experimenten möglich. Zur phänomenologischen Beobachtung der Wirkung von Schwerkraft bzw. Schwerelosigkeit wurden mehrere Versuche entwickelt.
Das magnetische Gravimeter (Abb. 4) [lat. gravis >schwer<] dient zur Messung der Schwerkraft, der sogenannten Gravitation (g). Es besteht aus drei Ringmagneten, deren gleichnamigen Pole aufeinander zeigen und sich gegenseitig abstoßen. Unter normaler Gravitation (Ig) wirkt auf die Masse der Magneten die Erdanziehungskraft und entgegengesetzt wirken die magnetischen Kräfte. Aufgrund der Kräftebilanz stellt

sich ein definierter Magnetabstand ein. Wird das Gravimeter fallen gelassen (freier Fall) oder geworfen (schräger Wurf), dann ändert sich der Abstand der Magneten schlagartig. Auf diesen antriebslosen Bahnen im Schwerefeld der Erde kompensiert die Trägheitskraft die Schwerkraft und das System kann als schwerelos bezeichnet werden. In diesem Zustand der stark verminderten Schwerkraft oder Mikrogravitation (yg) wirken nur noch die magnetischen Kräfte.

Zum Thema Oberflächenspannung befindet sich in einem kleinen Glasbehälter unter Schwerkraftbedingungen Wasser und darüber Luft (Abb. 5). Die Wasseroberfläche ist senkrecht zum Gravitationsfeld ausgerichtet. Im frei fallenden und schwerelosen System bildet sich eine runde Luftblase in der Flüssigkeit aus. Dies wird durch die benetzenden Eigenschaften von Wasser auf Glas (Adhäsion > Kohäsion) hervorgerufen, die erst unter Schwerelosigkeit voll zur Geltung kommen. In einem mit Quecksilber und Luft gefülltem Glasbehälter (Abb. 6) lässt sich der umgekehrte Effekt beobachten. Zunächst befindet sich das Quecksilber am Boden des Gefäßes. Unter Mikrogravitation wirken nur noch die Oberflächenkräfte. Da Quecksilber Glas nicht benetzt (Kohäsion > Adhäsion) , löst sich das Quecksilber von der Glasoberfläche und bildet eine frei schwebende runde Kugel.

Im Kapillarkraftexperiment (Abb. 7) taucht innerhalb eines geschlossenen Plexiglas Behälters ein beidseitig offenes Plexiglas-Kapillarrohr in ein eingefärbtes niederviskoses Silikonöl. Unter Erdschwere sind an den Grenzflächen aufgrund der Benetzungseigenschaften so genannte Randwinkel zu beobachten. Im Millimeterbereich kann ein Ansteigen der Flüssigkeit gegen die Schwerkraft beobachtet werden. Unter Schwerelosigkeit

steigt die Flüssigkeitssäule aufgrund der Kapillarkraft innerhalb der 0,6s über mehre cm hoch.

Im Bereich Verbrennunqsphänomene (Abb. 8) wird eine Kerzenflamme bzw. die Flamme einer Öllampe beobachtet. Unter Ig sorgt die sich ausbildende thermische Konvektion für die typische bekannte Flammenform. Im freien Fall kann das Verhalten der Flamme mit dem Übergang von der Konvektionsf lamme (Ig) zu einer diffusionsgesteuerten kugelsymmetrischen Flammenstruktur (\ig) kann beobachtet werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Experimentieren unter Weltraumbedingungen, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Einsatz eines Katapultsystems eine nutzbare Experimentierzeit verdoppelbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Zugfedersystem die Beschleunigungskräfte über eine flexible Leine an eine Fallkapsel übertragen werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zugfederspannung über die Leinenlänge und einen Spanner flexibel eingestellt werden kann.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fehlbedienung durch einen Überdehnschutz bzw. Überspannungsschutz verhindert werden kann.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektrohaftmagnet das fernbedienbare Ausklinken bzw. Halten gewährleistet.

6. Vorrichtung zum Experimentieren unter Weltraumbedingungen, dadurch gekennzeichnet, dass aus Profilrohren ein zerlegbares und leicht transportables Fallturmgestell aufbaubar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Spannverschlüsse eine sichere feste Verbindung und gleichzeitig eine einfache schnelle Montage ermöglichen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Betrieb mit Nutzung des einfachen freie Falls und sowohl der Betrieb mit Katapult möglich ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fallkapsel mit einem drahtlosen Funkübertragungsmodul als Videofunkstrecke ausgerüstet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fallkapsel modular mit unterschiedlichen schwerkraftabhängigen Experimenten ausgerüstet wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fallkapsel eine an den Schwerpunkt der Kapsel anpaßbare Aufhängungs- bzw. Haltevorrichtung zum Impuls- und momentfreien Ausklinken aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Experimentdaten digital mit einem Rechner erfaßbar sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Experiment ein magnetisches Gravimeter mit axial magnetisierten Ringmagneten entwickelt wurde.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Experimente zum Thema Oberflächenspannung und Benetzungseigenschaften von Fluiden in geschlossenen Behältern mit nicht- bzw. benetzenden Stoffkombinationen entwickelt wurde.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Experiment zum Thema kapillares Steigen von Fluiden ein niederviskoses Öl mit einem kapillaren Steigrohr in geschlossenen Behältern genutzt wird.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Experimente zum Thema Verbrennungsphänomene mit Kerzen und Petroleumlampen durchgeführt werden.