Die Trennung von Gas und Flüssigkeit – im Weltraum eine Herausforderung

Das Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen hat auf dem 33. DLR-Parabelflug erfolgreich eine Apparatur zur Phasentrennung getestet. Damit werden die strömungsmechanischen Grundlagen für die zukünftige Exploration des Weltraums erweitert.

Auf der Erde können wir uns darauf verlassen, dass die Erdanziehungskraft alles im Griff hat: Leichteres Gas von einer schwereren Flüssigkeit zu trennen, gelingt durch den hydrostatischen Druck wie von allein und das ganz verlässlich. Das Gas treibt nach oben auf, die Flüssigkeit sammelt sich automatisch unten an. Ein Vorgang, den wir alltäglich in einem gefüllten Benzintank eines Autos beobachten können, wo der Treibstoff blasenfrei zum Motor geleitet wird.

Diese physikalische Gesetzmäßigkeit gerät ins Wanken, wenn wir in den Weltraum blicken. Die Umgebungsbedingung ist dort vor allem durch Schwerelosigkeit bestimmt. Ein oben und unten gibt es nicht mehr, und der hydrostatische Druck bleibt wirkungslos. Dennoch ist es für Satelliten, Raumsonden oder bemannte Explorationsmissionen unerlässlich, eine Phasentrennung von Gas und Flüssigkeit an Bord von Weltraumfahrzeugen sicherzustellen: Treibwerke müssen gas- und blasenfrei mit Treibstoff versorgt werden, Lebenserhaltungssysteme müssen eine Gasphase von einer Flüssigkeitsphase trennen, Systeme zur Regulierung des Wärmehaushaltes müssen eine Dampfphase von einer Flüssigkeitsphase scheiden und selbst Anlagen, die eines Tages auf Mond oder Mars zur Herstellung oder Umwandlung von (Roh-)Stoffen betrieben werden, müssen so konzipiert sein, dass sie eine Phasentrennung gewährleisten.

Die ZARM-Wissenschaftler entwickelten eine Apparatur, die die Phasentrennung unter Weltraumbedingungen möglich macht und bisheriges Grundlagenwissen zur Handhabung von Flüssigkeiten im All erweitert. Die Testflüssigkeit wurde so ausgewählt, dass sie den Eigenschaften von Raketentreibstoffen, wie sie in der Raumfahrt Anwendung finden, ähnelt und zugleich für den Menschen völlig ungefährlich ist und bei einem Parabelflug verwendet werden darf.

Experimentaufbau und Erkenntnisse

Der Testaufbau besteht aus einem rechteckigen, ca. fünf Millimeter breiten Kanal als Flüssigkeitsleitung, der entlang einer zehn Zentimeter langen Messstrecke an einer Seite offen zur Umgebungsluft ist. Abgedeckt ist die offene Messstrecke alleinig durch ein sehr feinmaschiges Metallsieb mit nur 14 tausendstel Millimeter großen Poren, das abstrahiert als poröses Medium beschrieben werden kann. Oben auf dem Sieb sitzt an einer Stelle ein zehn Zentimeter langes und fünf Millimeter breites Messröhrchen auf, das ebenfalls mit Flüssigkeit gefüllt ist. Im Versuch unter Schwerlosigkeit ist zu beobachten, wie die Flüssigkeit aus dem Messrohr durch das Metallsieb in den Strömungskanal gesogen wird, ohne dass über die gesamte offene Messtrecke hinweg Umgebungsluft als Bläschen mit in die Flüssigkeitsphase eindringt.

Hier wirken die Kapillarkraft mit dem Blasendurchbruchsdruck und den Eigenschaften des porösen Mediums zusammen: Die Kapillarkraft – die Eigenschaft von Flüssigkeiten, sich in Spalten und Röhrchen auszubreiten – sorgt zunächst dafür, dass die Flüssigkeit in die feinen Poren des gesamten Metallsiebs kriecht und es mit Flüssigkeit sättigt.

Das Metallsieb fungiert dann wie eine Membran, die Flüssigkeit hindurchtreten lässt, aber gegen Gas sperrt. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass der Blasendurchbruchsdruck – auf Englisch Bubble Point – nicht überschritten wird, also jener Punkt, an dem die Umgebungsluft durch das Metallsieb in den Strömungskanal gesogen wird und sich Bläschen im Flüssigkeitsstrom bilden. Der Blasendurchbruchsdruck steht dabei in einer direkten Abhängigkeit zur Größe der Poren des Siebes – je kleiner die Poren, desto größer kann der Druck sein, bis Gas in den Flüssigkeitsstrom eindringt.

Die Parabelflugkampagne

Die von ZARM-Wissenschaftlern entwickelte Apparatur wurde während der 33. Parabelflugkampagne des Raumfahrtmanagements des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) vom 12. - 14. März 2019 erfolgreich getestet und bewies ihre volle Funktionsfähigkeit zur Flüssigkeits-Gastrennung. An drei aufeinanderfolgenden Flugtagen wurden mit dem Airbus 310 ZERO G vom französischen Bordeaux aus über dem Gebiet des Atlantiks mehr als 90 Einzelparabeln geflogen, die den Wissenschaftlern jeweils 22 Sekunden Schwerelosigkeit ermöglichten – eine Experimentumgebung, die nicht nur für die Testapparatur eine Herausforderung darstellte, sondern auch für die Wissenschaftler, die mit an Bord waren und den Versuch schwebend durchführen mussten.

Der menschliche Körper reagiert umgehend auf die Phasen reduzierter Gravitation (Schwerelosigkeit), wenn das Flugzeug in den freien Fall übergeht, und reagiert ebenso auf die Phasen erhöhter Gravitation, die am Beginn und am Ende der Parabeln auftreten. Umso wichtiger war es für die ZARM-Crew, sich auf die Parabelflüge gut vorzubereiten. Dazu gehörte eine klare Aufgabenteilung im vierköpfigen Team, das Einüben der Handgriffe zur Steuerung des Experiments, die Überwachung der Durchführung der zuvor festgelegten Testparameter und die Sicherstellung der technischen Bereitschaft des Experimentaufbaus sowie die Datengewinnung sicherzustellen.

Relevanz der Ergebnisse

Der Untersuchungsansatz der ZARM-Wissenschaftler ist der anwendungsbezogenen Grundlagenforschung gewidmet und dient dazu, eine gute Mess- und Beobachtbarkeit strömungsmechanischer Vorgänge zu erreichen. Der gewählte Versuchsaufbau ist daher nicht die Abbildung einer konkreten technischen Ausführung eines Bauteils für Weltraumfahrzeuge. Mit den Ergebnissen der „Untersuchungen zur Flüssigkeits-Gastrennung unter Anwendung poröser Medien bei kompensierter Gravitation“ wird jedoch eine quantitative Datenbasis geschaffen und bereitgestellt, die eine Übertragung der Erkenntnisse auf konkrete Anwendungen in der Weltraumexploration zulässt und somit eine Basis für innovative Konzepte von Flüssigkeitsleitungen bildet. Ergänzend zu den gewonnenen Daten aus der Parabelflugkampagne liegt dem Forschungsteam eine Datenreihe aus Versuchen vor, die zuvor im Fallturm Bremen am ZARM durchgeführt wurden. Das Projekt wird vom DLR-Raumfahrtmanagement gefördert.