Entwicklung eines elektrostatischen Levitators für den Einsatz in Mikrogravitation

Abstract

Entwicklung, Aufbau und Test eines elektrostatischen Levitators (ESL) für den Einsatz in Mikrogravitation (µg) sind Gegenstand dieser Arbeit. Das Ergebnis, der Experimentaufbau GOLD-ESL, wird in Labor, Fallturm, Parabelflug und Forschungsrakete getestet. Er dient insbesondere der Viskositätsmessung an flüssigen Metallproben nach der Methode oszillierender Tropfen. Extrem störungsarme Umgebungsbedingungen, die sich in dieser Kombination von ESL und µg ergeben, motivieren die Entwicklungsarbeit. Dieses Projekt zielt auf die Erfassung von Referenzmessungen, um Labormesswerte zu parametrieren und um die Messmethode zu etablieren. Den Ausgangspunkt bilden bestehende reine Laboranlagen, die aufgrund von Größe, Masse sowie fehlender Robustheit und Automatisierung speziell für µg-Anwendung jedoch ungeeignet sind. Mit dieser Arbeit werden neue Technologien eingeführt, Systeme miniaturisiert und Funktio-nen automatisiert. Die drei bedeutendsten Neuentwicklungen sind: + Das neue Elektrodensystem zur Erzeugung der Levitationsfelder ist für µg optimiert, + die Positionserfassung der Probe basiert auf in Echtzeit ausgewerteten Kamerabildern, + und der Probenwechsler speichert Proben und stellt diese einzeln dem Prozess bereit. Die Gesamtheit der entwickelten Systeme wird zu einer kompakten Raketennutzlast integriert, die flugqualifizierende Tests besteht. In µg kann bereits stabile Levitation von Proben gezeigt werden. Teilweise werden bereits neue Technologien in andere Anlagen übernommen.

Design, construction and verification of an electrostatic levitator (ESL) for use under micro-gravity (µg) are subject of this work. The result is the experimental set-up GOLD-ESL, being operational in laboratory, drop tube, parabolic flight and sounding rocket environment. In particular, the set-up is designed to measure viscosity of liquid metals by means of the oscillating drop method. The key motivation of this work is to combine ESL and µg in order to gain an almost undisturbed environment for these measurements. The aim is to obtain reference data to benchmark ground-based experiments and to contribute to the further verification of this scientific method. Starting point of this project are levitators built for ground-based research only, which, however, due to size, mass and a lack of robustness and automation are not suited for µg. With this work new technologies are introduced to electrostatic levitation, equipment is miniaturized and a fully automated functioning established. The three most prominent inventions are: + newly designed electrode system optimized for a µg-environment + sample detection based on real-time image processing on camera footage + sample handling system that stores and provides samples individually The entirety of developed hardware is integrated as a rocket payload and passes flight qualification tests. Stable µg-levitation was achieved. Some technology has already been transferred to other ground-based ESL.