DE3728115C1 - Device and method for the vibration-free fixing or movement of material under conditions of micro-gravity - Google Patents

Device and method for the vibration-free fixing or movement of material under conditions of micro-gravity

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Abstract

A device and a method for the fixing and displacement of bodies at one or between two points in space under conditions of micro-gravity, in which the body is arranged at the point of intersection of photon sources generating photon beams, and in which, by means of photomechanical or photothermal effects on its surface there is a resulting reaction, which is directed in the direction of the opposite surface point of the body. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 5.The invention relates to a device according to the preamble of Claim 1 and a method according to claim 5.

Die Beibehaltung einer Raumposition eines Materialstücks unter Mikrogravitationsbedingungen im Weltraum stellt ein grundlegendes Problem für die Bereiche Forschung, Entwicklung und Produktion an Bord von Raumfahrzeugen dar.Maintaining a spatial position of a piece of material under Microgravity conditions in space represents a fundamental one Problem for the areas of research, development and production Onboard spacecraft.

Sollen beispielsweise Experimente an einem Materialstück durchge­ führt werden, welches an einem bestimmten Raumpunkt abgesetzt und dort annähernd schwerelos schweben soll, so ist es in der Regel zunächst Restbeschleunigung eines nicht vollkommen beschleuni­ gungsfreien Absetzvorgangs ausgesetzt. Diese Restbeschleunigungen lassen den Materialkörper von seinem vorgesehenen Platz wegdrif­ ten.For example, should experiments be carried out on a piece of material which are deposited at a certain point in space and should hover almost weightlessly there, so it is usually at first residual acceleration of a not fully accelerated suspended suspension process. These residual accelerations let the material body drift away from its intended place ten.

Selbst für den Fall, daß ein in bezug auf den Materialkörper völ­ lig beschleunigungsfreier Absetzvorgang anwendbar wäre und daß der Materialkörper in einer Experimentierkammer nicht von bei­ spielsweise durch Astronauten verursachte Luftbeschleunigungen gestört wird, wirken dennoch Beschleunigungen vergleichsweise ge­ ringer, aber nicht vernachlässigbarer Größe auf ihn.Even in the event that a full in relation to the material body lig acceleration-free settling process would be applicable and that the material body in an experiment chamber is not from for example, air accelerations caused by astronauts is disturbed, accelerations nevertheless act comparatively ge wrestling, but not negligible size on him.

Diese Beschleunigungen wirken bei genauer Betrachtungsweise nicht auf den Materialkörper selbst (oder nur im vergleichsweise ge­ ringem Umfang), sondern auf den Ursprungsort des Koordinatensy­ stems, mit welchem seine Raumposition bestimmbar ist. Dieser Ur­ sprungsort ist in der Regel ein fest mit dem Raumfahrzeug ver­ bundener Gegenstand; beispielsweise ein Wandpunkt der für die Ex­ perimente benutzten Experimentierkammer.On closer inspection, these accelerations do not work on the material body itself (or only in the comparatively ge ring circumference), but to the place of origin of the coordinate system stems with which its spatial position can be determined. This primal  The location is usually a fixed space vehicle tied object; for example a wall point for the Ex experiments used experimental chamber.

So ist seit langem bekannt, daß innerhalb ihres Innertialsystems Raumfahrzeuge auf ihrer Umlaufbahn Beschleunigungen aus allen Raumrichtungen ausgesetzt sind, die beispielsweise durch Astro­ nauten oder automatisch ablaufende mechanische Einrichtungen aus­ gelöst werden. Zudem sind Zusatzbeschleunigungen bekannt, die aufgrund von Unregelmäßigkeiten in der Dichte der äußeren Erdat­ mosphäre Bahnveränderungen des Raumfahrzeuges und damit des Ko­ ordinatensystems gegenüber dem Materialkörper bewirken. Die Grö­ ßenordnung der in diesen Bereich fallenden Beschleunigungen liegt zwischen dem 10-4 und 10-6fachen der Erdbeschleunigung.So it has long been known that within their innertial system spacecraft are exposed to accelerations from all directions in their orbit, which are solved for example by Astro nautical or automatically running mechanical devices. In addition, additional accelerations are known which, due to irregularities in the density of the outer earth's atmosphere, cause orbital changes in the spacecraft and thus in the coordinate system with respect to the material body. The magnitude of the accelerations falling in this range is between 10 -4 and 10 -6 times the gravitational acceleration.

Um einen Materialkörper an einem bestimmten Raumpunkt zu fixieren und ihn dennoch nicht mechanisch zu befestigen, bedarf es daher einer Einrichtung, die den genannten Beschleunigungen keine Aus­ wirkung auf die einmal gewählte Position des Materialkörpers haben läßt.To fix a material body at a certain point in space and therefore not to fix it mechanically, it is necessary a facility that does not stop the accelerations mentioned effect on the selected position of the material body let have.

Für magnetische Materialkörper ist es bekannt, Magnetfelder er­ zeugende Einrichtungen so um den ausgewählten Raumpunkt anzuord­ nen, daß der Materialkörper an diesem Ort von den Magnetfeldern gefesselt wird. Eine solche elektromagnetische Haltevorrichtung wird beispielsweise in der GB-PS 15 49 324 vorgestellt. Bisher nicht bekannt sind Einrichtungen, mit deren Hilfe nichtmagnetische Materialien, wie z. B. Flüssigkeitstropfen, an einem bestimmten Ort berührungs- und erschütterungsfrei fixiert werden können.For magnetic material bodies, it is known to use magnetic fields generating facilities so as to arrange the selected spatial point NEN that the material body at this location from the magnetic fields is tied up. Such an electromagnetic holding device is presented for example in GB-PS 15 49 324. So far facilities with the help of which are non-magnetic are not known Materials such as B. drops of liquid in a certain place can be fixed without contact and vibration.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Ver­ fahren vorzustellen, mit welcher ein Materialkörper, ob fest oder flüssig, ob magnetisch oder nichtmagnetisch, an einen bestimmten Raumpunkt berührungslos und erschütterungsfrei unter Mikrogravi­ tationsbedingungen fixiert oder bewegt werden kann. The object of the invention is a device and a Ver to imagine with which a material body, whether solid or liquid, whether magnetic or non-magnetic, to a specific one Raumpunkt contactless and vibration-free under Mikrogravi conditions can be fixed or moved.  

Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, daß wenigstens vier Pho­ tonenquellen so angeordnet werden, daß ihre Photonenstrahlen auf einen gemeinsamen Raumpunkt ausgerichtet sind, in dem ein zu fi­ xierendes oder zu bewegendes Material schwebt, und daß die Photo­ nenstrahlen die Oberfläche des Materials teilweise oder vollstän­ dig, und zur Beibehaltung oder Veränderung seiner Position, mit unterschiedlicher Intensität ausleuchten.The problem is solved in that at least four Pho Tone sources are arranged so that their photon beams on a common spatial point are aligned, in which a to fi Xierendes or moving material hovers, and that the photo The surface of the material is partially or completely blasted dig, and to maintain or change its position with illuminate different intensities.

Mit Hilfe der Zeichnung läßt sich der Erfindungsgedanke erläu­ tern. Insgesamt wenigstens vier Photonenquellen 1, 2, 3, 4 sind in den Eckpunkten eines gedachten Tetraeders angeordnet. Die von ihnen ausgesandten Photonenstrahlen 5, 6, 7, 8 kreuzen sich in einem Raumpunkt, der von einem Materialstück 9 eingenommen wird. Dabei wird die Oberfläche des Materialstücks 9 von allen Seiten ange­ strahlt.With the help of the drawing, the idea of the invention can be explained. A total of at least four photon sources 1, 2, 3, 4 are arranged in the corner points of an imaginary tetrahedron. The photon beams 5, 6, 7, 8 they emit intersect at a point in space that is occupied by a piece of material 9 . The surface of the piece of material 9 is radiated from all sides.

Durch eine Verstärkung oder Verminderung der Strahlungsleistung eines oder mehrerer Photonenstrahler 1, 2, 3, 4 lassen sich durch die gezielte Bestrahlung von Bereichen der Materialstückoberfläche Rückstoßkräfte erzeugen, die das Materialstück 9 von einem Raum­ punkt zu einem anderen bewegen können, oder den Einfluß von stö­ renden Beschleunigungen der genannten Art kompensieren.By increasing or decreasing the radiation power of one or more photon emitters 1, 2, 3, 4 , recoil forces can be generated by the targeted irradiation of areas of the material piece surface, which can move the material piece 9 from one space point to another, or the influence of disturbances compensate for accelerations of the type mentioned.

Befindet sich das Materialstück 9 dabei in einem mit einer Gas­ atmosphäre gefüllten Raum, so schlagen aufgrund der thermischen Bewegung des Gases ständig und an jedem Ort der Materialstück­ oberfläche Gasmoleküle auf. Auf den stärker beleuchteten und damit heißeren Stellen der Oberfläche, die einer größeren Photo­ nenabsorption entspricht, verlassen Gasmoleküle mit einem größeren an die Materialoberfläche abgegebenen Impuls das Materialstück 9, als die auf den kälteren Bereichen auftreffenden Gasmoleküle. Da­ durch wird ein resultierender Rückstoß erzeugt, der die Probe in Richtung der kältesten Oberflächenstelle lenkt.If the piece of material 9 is located in a space filled with a gas atmosphere, gas molecules constantly hit the surface of the piece of material due to the thermal movement of the gas. On the more illuminated and thus hotter parts of the surface that corresponds to a larger nenabsorption Photo, left gas molecules with a larger delivered to the material surface pulse the material piece 9, as the incident on the colder areas of gas molecules. As a result, a recoil is generated which directs the sample towards the coldest surface point.

Bei der Verwendung von Materialstücken, die durch die Photonen­ absorption lokal verdampfen oder Elektronen freigeben (Photoemis­ sion) werden Reaktionskräfte frei, die sich zum Positionieren einsetzen lassen. Hinzu kommt auch in diesem Beispiel der Strah­ lungsdruck der Photonenstrahlen, der ebenfalls zu einem für Posi­ tionierungszwecke nutzbaren Rückstoßeffekt führt.When using pieces of material created by the photons  Vaporize locally or release electrons (Photoemis sion) reaction forces are released, which can be used for positioning let insert. There is also the beam in this example pressure of the photon beams, which also becomes one for Posi usable recoil effect leads.

Durch die Wahl von Umgebungsdruck, Materialwerkstoff, Wellenlänge der Strahlung, Bestrahlungsenergie und Energiedichte lassen sich die beschriebenen Wechselwirkungseffekte zwischen Materialstück und Photonenstrahlen einzeln oder kombiniert verwenden. Neben der Erfüllung der Aufgabe, ein Materialstück an einem bestimmten Raumpunkt zu fixieren, besteht bei der erfindungsgemäßen Einrich­ tung die Möglichkeit, einen Körper innerhalb des Wirkungsbereiches der Photonenstrahler 1, 2, 3, 4 von seinem Ort zu verschieben und beispielsweise eine zweite Position einnehmen zu lassen.The interaction effects described between the piece of material and the photon beams can be used individually or in combination by the choice of ambient pressure, material material, wavelength of the radiation, radiation energy and energy density. In addition to fulfilling the task of fixing a piece of material at a certain point in space, there is the possibility in the device according to the invention to move a body within the range of action of the photon emitters 1, 2, 3, 4 from its location and, for example, to assume a second position to let.

Zudem erlaubt die beschriebene Vorrichtung in vorteilhafter Weise die Beschleunigung eines Materials, welches zunächst von den Pho­ tonenquellen an einem Ortspunkt fixiert und anschließend durch ein gezieltes Abschalten aller Photonenquellen bis auf eine in eine zuvor gewählte Richtung plötzlich beschleunigbar ist.In addition, the device described allows in an advantageous manner the acceleration of a material that was initially used by the Pho tone sources fixed at a location and then by a targeted shutdown of all photon sources except one in a previously selected direction can suddenly be accelerated.

Die Verschiebung und Beibehaltung der Raumposition des Material­ körpers 9 kann mit Hilfe von Stereobilder liefernde Videokameras überwacht werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin­ dung kann die Ortsbestimmung des Materialstücks 9 auch durch die Laufzeitbestimmung modulierter Photonenimpulse oder durch die Nutzung des Dopplereffekts erfolgen.The displacement and maintenance of the spatial position of the material body 9 can be monitored with the aid of video cameras providing stereo images. In an advantageous embodiment of the invention, the location of the piece of material 9 can also be determined by determining the propagation time of modulated photon pulses or by using the Doppler effect.

Zwar läßt sich mit der vorgeschlagenen Anordnung von wenigstens vier Photonenquellen, die von den Ecken eines gedachten Tetrae­ ders in Richtung dessen geometrischer Mitte strahlen, die ge­ wünschte Positionierung eines Materialstücks erzielen, dennoch bezieht sich der Schutzumfang der Erfindung auch auf Anordnungen von vier oder mehr Photonenquellen an den Eckpunkten anderer ge­ dachter oder realer Vieleckkörper, oder auf der Oberfläche einer Kugel, wobei das zu fixierende Materialstück immer in deren geo­ metrischen Mitte anzuordnen und von den Photonenstrahlen zu posi­ tionieren ist.Although the proposed arrangement of at least four photon sources from the corners of an imaginary tetrae radiate in the direction of its geometric center, the ge achieve the desired positioning of a piece of material, nevertheless The scope of the invention also relates to arrangements  of four or more photon sources at the vertices of others roofed or real polygonal body, or on the surface of a Ball, the piece of material to be fixed always in its geo to arrange the metric center and to posi from the photon beams function.

Eine Abschätzung der notwendigen Lichtleistung für einen Photo­ nenstrahler mit einer Positionier-Beschleunigungsfähigkeit vom 10-4fachen der Erdbeschleunigung allein aufgrund des photomecha­ nischen Effekts ergibt, daß für einen Materialwürfel von 10-2 m Kantenlänge und 10-3 kg Masse eine Lichtleistung von 100 W/cm2 benötigt wird.An estimate of the necessary light output for a photo lamp with a positioning acceleration ability of 10 -4 times the acceleration due to gravity solely due to the photomechanical effect shows that for a material cube of 10 -2 m edge length and 10 -3 kg mass, a light output of 100 W. / cm 2 is required.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die Photonenquellen auch zum Aufheizen des gesamten Materialstücks und nicht nur seiner Oberfläche dienen, oder zumindest dazu bei­ tragen. Zum Aufheizen dieses gesamten Materialstücks können aber auch gesonderte Einrichtungen eingesetzt werden, die auf der Ba­ sis der Photonenenergie oder der elektromagnetischen Energie­ übertragung in an sich bekannter Weise arbeiten. Zudem besteht die Möglichkeit, daß sich das Material 9 in einem Raum befinden kann, welcher von beliebigen Fluiden mit beliebigem Druck gefüllt ist, wobei diese Fluide eine ausreichende Photonentransmissions­ fähigkeit aufweisen müssen.In an advantageous embodiment of the invention, the photon sources can also serve to heat up the entire piece of material and not just its surface, or at least contribute to it. To heat this entire piece of material, however, separate devices can also be used, which operate on the basis of photon energy or electromagnetic energy transmission in a manner known per se. In addition, there is the possibility that the material 9 can be in a space which is filled with any fluids at any pressure, which fluids must have sufficient photon transmission ability.

Von besonderem Vorteil der Erfindung ist, daß neben nichtmagneti­ schen (Festkörper-)Materialien auch Flüssigkeitstropfen an einem bestimmten Raumpunkt positioniert bzw. zwischen zwei Raumpunkten verschoben werden können, wobei keine oder nur sehr geringe Schwingungen des Flüssigkeitstropfens entstehen, die bei vielen Untersuchungen als störend empfunden werden.A particular advantage of the invention is that in addition to non-magnetic (solid) materials also drop of liquid on one certain point in space or between two points in space can be moved, with no or very little Vibrations of the drop of liquid arise, which in many Examinations are perceived as disturbing.

Claims (7)

1. Vorrichtung, mit welcher unter Mikrogravitationsbedin­ gungen Material an einem Raumpunkt berührungslos und erschüt­ terungsfrei fixierbar, bewegbar sowie seine Position bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens vier Photonenquellen (1, 2, 3, 4) auf einen gemeinsamen Raumpunkt ausgerichtet sind, daß in diesem Raumpunkt ein zu fixierendes oder zu bewegendes Material (9) schwebt, und daß Photonenstrahlen (5, 6, 7, 8) die Oberfläche des Materials (9) teilweise oder voll­ ständig ausleuchten. 1. Device with which under microgravity conditions material at a spatial point contactless and shock-free fixable, movable and its position can be determined, characterized in that at least four photon sources ( 1, 2, 3, 4 ) are aligned to a common spatial point that in this spatial point a material to be fixed or moved ( 9 ) hovers, and that photon beams ( 5, 6, 7, 8 ) partially or completely illuminate the surface of the material ( 9 ). 2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Photonenquellen (1, 2, 3, 4) in den Eckpunkten eines gedachten oder realen Körpers, wie eines Tetraeders oder eines anderen, wenigstens viereckigen Körpers, oder auf einer Kugeloberfläche angeordnet sind, und auf dessen Mittelpunkt zielen.2. Device according to claim 1, characterized in that the photon sources ( 1, 2, 3, 4 ) are arranged in the corner points of an imaginary or real body, such as a tetrahedron or another, at least square body, or on a spherical surface, and aim at its center. 3. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Photonenquellen (1, 2, 3, 4) zum Aufheizen des Materials (9) nutzbar sind.3. Device according to claims 1 and 2, characterized in that the photon sources ( 1, 2, 3, 4 ) for heating the material ( 9 ) can be used. 4. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1, 2 und 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Material (9) von beliebigen Fluiden mit beliebigem Druck umgeben ist, welche eine ausreichende Transmissionsfähigkeit für die verwendeten Photonen­ strahlen aufweisen.4. Device according to claims 1, 2 and 3, characterized in that the material ( 9 ) is surrounded by any fluids with any pressure, which have a sufficient transmissivity for the photons used rays. 5. Verfahren zur Fixierung oder Bewegung von Materialien unter Mikrogravitationsbedingungen mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photonenquellen (1, 2, 3, 4) unterschiedlich energiereiche Photo­ nenströme auf das Material (9) richten.5. A method for fixing or moving materials under microgravity conditions with a device according to claim 1, characterized in that the photon sources ( 1, 2, 3, 4 ) differently energetic photo NEN streams on the material ( 9 ). 6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ortsbestimmung des Materials (9) mit Hilfe von wenigstens zwei Videokameras, durch die Laufzeitbestim­ mung modulierter Photonenimpulse oder durch die Nutzung des Dopplereffektes erfolgt.6. The method according to claim 5, characterized in that the location of the material ( 9 ) with the aid of at least two video cameras, by the runtime determination modulated photon pulses or by using the Doppler effect. 7. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Material (9) zunächst von Photonenquellen an seinem Ort fixiert und anschließend durch Abschalten aller Photonenquellen bis auf eine Photonenquelle in eine zuvor gewählte Richtung beschleunigt wird.7. The method according to claim 5, characterized in that the material ( 9 ) is first fixed by photon sources in place and then accelerated by switching off all photon sources except for one photon source in a previously selected direction.
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