Ein bißchen wie im Weltall

Verbrennungsversuche in der Schwerelosigkeit

Einmal wie ein Astronaut in der Schwerelosigkeit schweben, davon träumt wohl jeder kleine Junge. Diesen Traum erfüllen konnte sich Lars Sitzki vom Chemischen Institut an der Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik. Er schreibt zur Zeit an seiner Dissertation und erforscht gemeinsam mit Steffen Tischer und in der Vergangenheit mit Dr. Karsten Tittmann Verbrennungsvorgänge in Gasflammen. Derzeit ist es beispielsweise nicht möglich, laminare Diffussionsflammen, wie die Flamme eines Gasfeuerzeugs, vollständig zu berechnen. Eine wichtige zu untersuchende Größe ist die Flammenkontur, die bei diesen Flammen maßgeblich durch molekulare Transportprozesse bestimmt wird. Hier wirken Diffusion und auftriebsbedingte Konvektion. Bei Laborversuchen im Gravitationsfeld der Erde überlagern sich diese beiden Prozesse. Um die Konvektionsprozesse zu eliminieren und die Diffusionsvorgänge separat beobachten zu können, muß die Gravitation ausgeschaltet bzw. Schwerelosigkeit geschaffen werden.

Für das Forscherteam aus der Arbeitsgruppe Verbrennung unter Leitung von Professor Helmut Rau wäre die Erkundung der Gasflammenphänomene in der Weltraumstation MIR oder im Spaceshuttle sicher eine sehr reizvolle Aufgabe gewesen, aber wohl doch etwas zu kostspielig. Deshalb suchte es nach Partnern auf der Erde und fand sie in Bremen am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologien und Mikrogravitation. Der dortige Fallturm ermöglicht für 4,7 Sekunden Experimente unter Schwerelosigkeit oder wissenschaftlich Mikrogravitation. Kooperationen existieren auch in Japan, wo am Japan Microgravity Center eine Fallkapsel in einem stillgelegten Bergwerksschacht derartige Untersuchungen für zehn Sekunden ermöglicht. Jedoch reichen zur Erforschung einiger Phänomene diese wenigen Sekunden nicht aus. Eine Alternative: Parabelflüge. Sie weiten den Schwerelosigkeitszustand auf 25 Sekunden aus. Gemeinsam mit den Partnern aus Bremen machte sich das Magdeburger Forscherteam Ende Oktober 98 auf an die französische Atlantikküste.

25 Sekunden in der Schwerelosigkeit. Photo: privat

Mit einem Spezialflugzeug der französischen Organisation NOVESPACE starteten die Wissenschaftler zu drei Flügen mit je 35 Parabelflugmanövern über dem Atlantik. Jede Parabel führte sie, gemeinsam mit anderen internationalen Forscherteams, in eine Phase von 25 Sekunden Schwerelosigkeit, jeweils ein- und ausgeleitet von 20 Sekunden doppelter Gravitation. Untersucht wurden in dem vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) und der europäischen Weltraumbehörde ESA geförderten Projekt Wasserstoffflammen. Zahlreich die beobachteten Phänomene, beispielsweise, daß diese Flammen eine offene Spitze haben. Zahlreich auch die Analysedaten, auf deren Grundlage spätere numerische Simulationen aufbauen können.

Genutzt wurde für die Flüge eine modifizierte Version des Fallturmversuchsstands, die den strengen Sicherheitsvorschriften für den Flug entsprechen mußte, würde doch jede vergessene Unterlegscheibe oder Schraube nach der Rückkehr in das Gravitationsfeld der Erde zum gefährlichen Wurfgeschoß. Alle Phasen der Experimente wurden mit einer bildverstärkenden Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet. Ein sehr wesentlicher Vorteil für die Wissenschaftler war, daß sie während der Schwerelosigkeit die Strömungsparameter für die Flammen direkt verändern konnten. Im Fallturm war dies nicht möglich. Außerdem erlaubte der Turm, aufgrund der aufwendigen Vorbereitungen, nur maximal drei Experimente am Tag. Jedoch ist die "Qualität" der Schwerelosigkeit im Fallturm besser, da während des Parabelfluges mechanische Schwingungen im Flugzeug und Wetterturbulenzen die Experimente stören.

Die Auswertung der Analysedaten trägt zum grundlegenden Verständnis von Verbrennungsprozessen, aber auch zur Klärung praktischer Fragestellungen, beispielsweise von Flammenlöschphänomenen in der Feuerungstechnik und der Brandbekämpfung, bei.
Ines Perl