Knudsen EML – Technologie­demonstrator zur Messung von Verdampfungs­geschwindigkeiten von Metallen und Legierungen

Hochgenaue Bestimmung von Materialkonstanten unter Schwerelosigkeit – Vorarbeiten für Messungen auf der Internationalen Raumstation.

Laufzeit des Vorhabens: 01.01.2016 – 31.08.2018

Das perspektivische wissenschaftliche Ziel des Vorhabens besteht in der hochgenauen Ermittlung der freien Gibbs-Enthalpie durch die Messung der Verdampfungsgeschwindigkeiten technologisch relevanter Metalle und Legierungen im Temperaturbereich von 1000 bis 2000 °C. Für eine ideale Messung dieser Größe sind drei Schlüsselanforderungen zu erfüllen:

  • Thermodynamisches Gleichgewicht von Probe und Dampf
  • Kontaktloses Prozessieren der Probe
  • Gleichmäßiges Abdampfen der Probe nach allen Seiten

Die Umsetzung eines innovativen Konzeptes zur gleichzeitigen Schaffung der oben genannten Schlüsselanforderungen ist das technologische Ziel des Projektes. Das zu realisierende System soll die oben beschrieben experimentellen Anforderungen durch die Verwendung einer hochtemperaturstabilen Nanowaage (Langasit-Einkristalle, La3Ga5SiO14, LGS) und einer isothermen Messzelle, die eine elektromagnetische Levitation ermöglicht, erfüllen (Abb. 1 und 2).

Abbildung 1: Schema des Messaufbaus mit den Hauptkomponenten: Nanowaage, isotherme Knudsen-Zelle, Spulensystem.
Abbildung 2: Bestimmung der Resonanz­frequenzänderung Δf aus dem Realteil der Admittanz. Eine Frequenzverringerung entspricht einer Masseablagerung.

Das System soll perspektivisch in der EML-Anlage (Elektromagnetischer Levitator) auf der ISS eingesetzt werden. Als Unterauftragnehmer sind das Institut für Materialphysik im Weltraum (MP) des DLR in Köln, die Hochschule Mannheim sowie die Airbus Defence and Space GmbH in Friedrichshafen eingebunden. Folgende Arbeitsziele sollen im Rahmen des Projektes umgesetzt werden:

TU Clausthal

  • Herstellung von Knudsen-Zellen und Integration einer resonanten Nanowaage (Abb. 3)
  • Modifizierung von Knudsen-Zellen zur Ankopplung von Heizfeldern
  • Dampfdruckbestimmung

HS Mannheim

  • Modellierung des Verdampfungsverhaltens für verschiedene Knudsen-Zellen
  • Referenzmessungen in einer konventionellen Knudsen-Zelle

DLR-MP

  • Konzeptionelle Unterstützung zur Ankopplung des elektromagnetischen Heizfeldes an die Knudsen-Zelle
  • Test des Systems mit einer Induktionsheizung

Airbus DS

  • Konzeptionelle Unterstützung eines Raumfahrt- und EML-kompatiblen Designs
  • Bewertung und Verbesserung der Raumfahrtkompatibilität des Systems bezüglich EML
Abbildung 3: Halter für Knudsen-Zelle, Heizung, Blenden und Sensor.

Institution

Technische Universität Clausthal
Institut für Energieforschung und Physikalische Technologien
Am Stollen 19 B
38640 Goslar

Ansprechpartner:

Alexandr Denissenko
Tel.: +49 5321 3816 8313
alexandr.denissenko@tu-clausthal.de
https://www.iept.tu-clausthal.de