DE4217326A1 - Verfahren zum aufheizen von proben fuer versuche unter schwerelosigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufheizen von Proben für Ver­ suche unter Schwerelosigkeit, bei dem die Probe mittels einer Heizquelle er­ wärmt wird.

Durch die Raumfahrt sind wissenschaftliche Untersuchungen von Materialien, physikalischen Vorgängen usw. unter Bedingung der Schwerelosigkeit möglich. Es werden aber auch Versuche unter Schwerelosigkeit auf der Erde gemacht, in­ dem die Veränderungen eines zu untersuchenden Objektes während des freien Falles der Probe durchgeführt werden bzw. erfolgen. Dazu werden beispielsweise hohe Türme mit entsprechend ausgestaltetem Schacht hergestellt, in denen das Objekt hinunterfallengelassen wird.

In der Metallurgie sind solche Versuche von großer Bedeutung, bei denen z. B. das Erstarrungsverhalten von Metallen, Legierungen usw. untersucht wird. Dazu wird die Probe am oberen Ende des Turmes aufgeheizt und verflüssigt und an schließend durch den Schacht fallengelassen. Während des freien Falles erstarrt das Material.

Aus der DE 39 02 682 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem das Heizgerät innerhalb eines Reaktionsbehältnisses, das das zu behandeln­ de Material aufnimmt, angeordnet ist. Im freien Fall wird durch eine vorbestimm­ te Energiedosis das Material geschmolzen, verdichtet, geformt und gekühlt. Die­ ses bekannte Verfahren dient zur Herstellung von Materialien und Legierungen mit bestimmten Eigenschaften. Für Versuchszwecke ist das bekannte Verfahren aufgrund der mangelnden Flexibilität jedoch nicht geeignet. Darüber hinaus er­ folgt im Reaktionsbehälter eine Verdichtung des Materials, was keine Studien über Strukturveränderungen ohne Krafteinwirkung auf das Material zuläßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genann­ ten Art zu entwickeln, mit dem breite und vielseitige Untersuchungsmöglichkei­ ten von insbesondere Metallen und Legierungen gegeben sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Ein Lasergerät läßt sich problemlos auf dem Turm, bei einem unterirdischen Schacht auf den Boden oder im Raumfahrzeug anbringen, während die Laser­ strahlen mit einfachen optischen Mitteln zur Probe gelenkt werden. Durch die Möglichkeit der berührungslosen Einkopplung der Laserenergie in die Probe und die einfache Veränderbarkeit der Laserparameter sind viele Durchführungsmög­ lichkeiten der Energieeinkopplung gegeben. So muß, trotz stationärer Heizquel­ le, beispielsweise die Probe nicht mehr nur unter Wirkung der Schwerkraft aufge­ heizt werden. Mit dem Laser ist nun auch der Aufheizprozeß in Schwerelosigkeit durchführbar. Sowohl der Aufheiz- als auch der Abkühlprozeß kann mittels der Laserstrahlen während des freien Falles der Probe gesteuert werden. Die Probe ist dabei von der Anordnung des Heizgerätes unabhängig. Damit ist es möglich, die Probe als Tropfen dem freien Fall zu überlassen oder sie im geeigneten Behälter, z. B. offenen Tiegel, aufzunehmen und trotzdem mit regelbarer Energie zu be­ aufschlagen.

Jede Temperaturänderung, soweit die kurze Fallzeit es erlaubt, kann während des Falles der Probe durch Regelung der Intensität des Laserstrahls und/oder der Einstrahlstelle an der Probe präzise eingestellt werden. Damit eröffnen sich wei­ tere Experimentiermöglichkeiten unter Schwerelosigkeit.

Der Laserstrahl hat den weiteren Vorteil, daß dessen Wirkbereich (Wellenfront) sehr einfach durch optische Mittel verändert und somit leicht an die Probe und Anwendung angepaßt werden kann. Außerdem läßt sich die Laserenergie eben­ falls ohne Schwierigkeit zu jedem Ort transportieren, z. B. mittels Lichtwellenlei­ ter oder über ein Spiegelsystem.

Bei Experimenten, die zum Studium des Erstarrungsverhaltens von Werkstoffen dienen, wird die Probe mit hoher Laserenergie beaufschlagt, so daß die Probe im ersten Abschnitt des Falles bis mindestens einer vorgesehenen Tiefe aufgeschmol­ zen ist. Die Ableitung der eingeführten Wärme kann unter Verwendung von gut wärmeleitendem Material beschleunigt werden, das an der Unterseite des Pro­ bentiegels mit dem Probenmaterial in wärmeleitendem Kontakt steht. Durch ent­ sprechende Wärmeeinwirkung und/oder Kühlmaßnahmen, z. B. örtliche Wärme­ zufuhr und -abfuhr, ist es möglich, eine gerichtete Abkühlung bzw. Erstarrung zu erreichen.

Je nach Anwendung, Energieeinkopplungserfordernissen oder nach dem ge­ wünschten Temperaturverlauf wird der Laserstrahl entweder parallel, konver­ gent oder divergent geführt. Auch hier sind alle Veränderungsmöglichkeiten ge­ geben. Mit Hilfe eines angeflanschten Faserlichtleiters kann die Probe ebenfalls über eine bestimmte Fallweglänge = Lichtleiterlänge bestrahlt werden. Nach Durchfallen der Aufheizstrecke werden Lichtleiter und Fallkapsel automatisch entkoppelt.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Aus­ führungsbeispieles näher beschrieben.

In einem relativ langen Schacht 10, der entweder ins Erdreich oder durch einen Turm führt, werden Experimente durchgeführt, in denen eine Probe 11 während des Falles Veränderungen erfährt, die durch Kräfte, Wärmezu- und abfuhr, che­ mische Prozesse und dergleichen bewirkt werden. Die präparierte Probe wird vom oberen Teil 12 des Schachtes 10 dem freien Fall überlassen und stößt schließ­ lich am Boden des Schachtes 10 auf eine energieabsorbierende Unterlage 13 auf.

In den Fällen, in denen eine Wärmeeinkopplung notwendig ist, wird die Ein­ kopplung mittels eines Laserstrahles realisiert. Das Lasergerät 14 wird zweckmä­ ßigerweise am Schachteingang 12 entsprechend angeordnet und mit optischen Mitteln 15 (Spiegeln, Linsen, Lichtleitfaser) zur Lenkung des Laserstrahles 16 be­ stückt, die demontierbar oder wegschwenkbar angeordnet werden können.

Zum Studium des Erstarrungsvorganges von Metallen und Legierungen wird die Probe 11 des Materials in fester Form in einen Tiegel 17 eingebracht. Der Tiegel 17 ist offen und hat als Boden einen Block 18 aus einem gut wärmelei­ tenden Material. Die am Eingang des Schachtes 10 plazierte Probe 11 wird bei­ spielsweise simultan mit der Einschaltung des Laserstrahles 16 innerhalb des Schachtes 10 dem freien Fall überlassen, Position 1. Durch entsprechend dosierte Wärmeenergie des Laserstrahles 16 wird die Probe innerhalb des ersten Wegab­ schnittes mindestens zum Teil aufgeschmolzen. Dieses Stadium ist in der Zeich­ nung in Position 2 dargestellt, in der die Probenschmelze 19 über den noch festen Teil 20 der Probe mit dem Block 18 in wärmeleitendem Kontakt steht. Die enge­ koppelte Wärmeenergie wird somit im zweiten Teil des freien Falles auf den Block 18 abgeleitet, so daß das Schmelzbad 19 wieder erstarrt, bis der Tiegel 17, 18 den Schachtboden 13 erreicht, Position 3. Der offene Tiegel (kann u. U. auch nur eine Trägerplatte sein) erlaubt eine drucklose Entfaltung der Probe bzw. des Materials. Es sind auch fallende Probentropfen und andere nicht druckaufbauen­ de Träger anwendbar.

Während derartiger Experimente kann die Wärmeeinkopplung beliebig gesteu­ ert werden. So ist es beispielsweise möglich, daß der Laserstrahl abgeschaltet wird, sobald die Probe 11 etwa die Schachtmitte erreicht hat. Die Laserenergie kann aber auch während des freien Falles nach bestimmten Kriterien variiert wer­ den, wenn dieses für ein Experiment gewünscht wird.

Es sind ferner Konstellationen denkbar, bei denen der Laserstrahl nicht oder nicht ausschließlich vom Schachteingang 12, sondern auch seitlich von der Schacht­ wand in den Schacht gelenkt wird, was mit einem entsprechend angeordneten Lasergerät oder Lichtwellenleiter 21 geschehen kann.

Zur örtlichen oder Intensitätsveränderung der Wärmeeinwirkung auf die Probe 11 ist das Lasergerät mit einer Steuerung 23 ausgerüstet, mit der die Inten­ sität des Laserstrahls 16, 16′ bzw. 22 auch während des freien Falles der Probe 11 variiert werden kann. Die Steuerung 23 wirkt ferner auf den schwenkbar gelager­ ten Umlenkspiegel 15. Damit kann der Laserstrahl 16′ bei Bedarf so gesteuert werden, daß dessen Auftreffpunkt an der Probe während des Falles verändert werden kann. Ist eine Veränderung der Lage nicht vorgesehen, dann wird der Laserstrahl 16′ senkrecht, d. h. in Fallinie 28 gerichtet.

Über eine Signalleitung 25 ist der seitlich angeordnete, schwenkbare Lichtwellen­ leiter 21 ebenfalls ansteuerbar.

Die Steuerung 23 empfängt ferner Signale 27 von einem oder mehreren Lagesen­ soren 26. Damit sind weitere Steuer- oder Regelungsmöglichkeiten gegeben.

Die Steuerung 23 kann rechnergestützt arbeiten, wodurch eine Automatisierung der gesamten Heizquelle 14, 16, 16′, 21, 22 bzw. Wärmeeinleitung in die Probe 11 möglich ist.

Claims (11)

1. Verfahren zum Aufheizen von Proben für Versuche unter Schwerelosigkeit, bei dem die Probe mittels einer Heizquelle erwärmt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Durchführung der Versuche im freien Fall, das die Heiz­ energie erzeugende Heizgerät (14) unabhängig von der Probe (11) ange­ ordnet ist und daß die Heizenergie (16′) auch während der Schwerelosigkeit auf die Probe einwirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizquelle ein Laserstrahl (16, 16′) oder eine Widerstandsheizung eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während des Experiments im freien Fall der Laserstrahl (16′) in Fallinie (28) gerichtet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser­ strahl (22) mittels einer flexiblen Lichtleitfaser (21) auf die Probe (11) ge­ führt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wärmeeinwirkung auf die Probe (11) während des freien Falles verändert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Probe (11) unter Einwirkung eines Laserstrahls (16, 16′) entsprechender Energie mit hoher Aufheizgeschwindigkeit zumindest teil­ weise aufgeschmolzen wird.

7. Verfahren nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß Maßnahmen ge­ troffen werden, wodurch die Probe (11) im freien Fall nach Ausschalten oder Drosseln der Heizquelle eine gerichtete Abkühlung bzw. eine gerichte­ te Erstarrung erfährt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Probenerwärmung ohne Volumenbegrenzung, d. h. ohne Veränderung des Druckes stattfindet.

9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Lasergerät (14) an einem Turm oder einem Schacht fest oder beweglich angeordnet ist, derart, daß eine im Turm oder im Schacht dem freien Fall überlassene Probe (11) vom Laserstrahl (16, 16′) be­ aufschlagbar ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Laser­ gerät (14) mit einer Steuerung (23) versehen ist, mit der die Intensität des Laserstrahls (16, 16′, 22) und/oder dessen Orientierung (24, 25) auch wäh­ rend des freien Falles der Probe (11) geregelt werden kann.

11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zusätz­ lich zum Lasergerät (14) Sensoren (26) am Turm oder im Schacht vorgesehen sind, mit denen die Probe (11) im freien Fall geortet werden kann und daß die Sensorsignale (27) auf die Steuerung (23) des Lasergeräts (14) einwirken.