ELEKTROMAGNETISCHE LEVITATION

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1 ELEKTROMAGNETISCHE LEVITATION Grundlagen Mikrogravitation Die TEMPUS Anlage Die Experimentvorbereitung Das wissenschaftliche Programm Die Experimente Perspektiven I. Egry Institut für Raumsimulation DLR Köln

2 ELEKTROMAGNETISCHE LEVITATION: DIE GRÜNDE ermöglicht tiegelfreie Bearbeitung von Metallschmelzen bietet hohe Reinheit saubere Oberfläche Unterkühlung hohe Temperaturen erfordert inhomogenes Hochfrequenzfeld ( 300 khz ) berührungsfreie Messverfahren

3 ELEKTROMAGNETISCHE LEVITATION: DAS PRINZIP Positionieren: 2 B( r ) Tragkraft: FL ( r) = V G( q) 2µ ( r r ) F ( r ) <0 Rückstellkraft: 0 L 0 0 ( F ) L r = mg, 0 0 Heizen: 2 P B = Vω Q( q) 2 µ Force Power 0.7 G(q), Q(q) q

4 ELEKTROMAGNETISCHE LEVITATION: DIE REALISIERUNG

5 ELEKTROMAGNETISCHE LEVITATION & MIKROGRAVITATION 1-g Levitation: Heizung durch Positionierfeld unvermeidlich Einspulensystem F g F L µ-g Levitation: Heizung durch Positionierfeld vernachlässigbar Zweispulensystem Heizung und Positionierung entkoppelt Positionierspule Heizspule

6 ELEKTROMAGNETISCHE LEVITATION & MIKROGRAVITATION: DIE VORTEILE Weiter Temperaturbereich ( C) Betrieb unter UHV (Strahlungskühlung ausreichend) keine Probendeformation (geringer magnetischer Druck) große Proben ( 6-8 mm) keine Rühreffekte (laminare Strömung)

7 4 Modelle: DIE TEMPUS-ANLAGE Tiegelfreies Elektro-Magnetisches Prozessieren Unter Schwerelosigkeit - TEMPUS-Airbus operationell - TEMPUS- Spacelab 1994, TEXUS-EML MSL-EML 2008 auf ISS Spulensystem: Positionierkreis: Quadrupolfeld, 150 khz, 850 W Heizkreis: Dipolfeld, 350 khz, 1080 W

8 DIE TEMPUS-ANLAGE (2) Pyrometer 1 Si, 2 InAs, 100 Hz & 1 MHz, C Videokameras 2 Hochgeschwindigkeitskameras Hz, s/w für axiale und radiale Beobachtung, 1 hochauflösende Kamera s/w für radiale Beobachtung Proben 18 Proben ( 6-8mm) in Käfig oder Becher Bedampfungsschutz 22 Doppelspiegel oder CaF 2 -Fenster Prozesssteuerung über Parametersatz interaktiv vom Boden (Telescience) interaktiv von Astronauten

9 EXPERIMENTVORBEREITUNG Proben Herstellung Zusammensetzung, Formgebung Charakterisierung Emissivität, Abdampfrate,... Mission Temperatur-Zeit-Profile Parameterdefinition ( 1000 pro Experiment) Ressourcenanforderung Kontamination, Energie, Video, Crew,... "Functional Objective Sheet" Crew-Training Experimentreihenfolge Priorität, Kompatibilität,... "Timeline"

10 TEMPUS-EXPERIMENTE (MSL-1) Unterkühlung und Keimbildung maximale Unterkühlung Keimbildungsstatistik Erstarrungsgeschwindigkeit metastabile Phasen Thermophysikalische Eigenschaften thermische Ausdehnung spezifische Wärme elektrischer Widerstand Oberflächenspannung Viskosität

11 UNTERKÜHLUNG UND KEIMBILDUNG Gibssche Freie Energie: G l G s Free Energies G l, G s G T G T Temperature, T/T m Keimbildungsbarriere durch Grenzflächenenergie: surface energy bulk energy total energy droplet energy critical radius * = G π σ G 2 droplet radius

12 UNTERKÜHLUNG VON Zr Ziel: Statistische Analyse der Keimbildung (Skripov) V T F( T) = 1 exp Kv exp T Tm G kt * dt K v Zahl der Keime, G* Keimbildungsschwelle Experiment: 122 Zyklen, T m =1858 C, T N =1525 ± 2 C, T=333 C

13 ERSTARRUNGSGESCHWINDIGKEIT VON Ni Ziel: Diffusionskontrollierte Erstarrungsgeschwindigkeit V als Funktion der Unterkühlung T VR = = 2a 2 T Thyp Iv VR kons a : thermische (Ni) oder chemische (Ni-C) Diffusivität Methode: räumlich & zeitlich gezielte Auslösung der Keimbildung ("Triggern") optische Verfolgung der Erstarrungsfront Experiment: t 100 v [m/s] Ni-0.6 C (trig. nucl.) Ni-0.6 C (spont. nucl.) Ni (spont. nucl.) LKT Ni-0.6 C LKT Ni T [K]

14 ELEKTRISCHER WIDERSTAND VON Zr Ziel: Messung des elektrischen Widerstandes σ als Funktion der Temperatur Methode: Impedanzmessung 2 R I 0 = 1 A B ω σ µ 0 2 U 0 Experiment: 1.50x10-4 el. resistivity of Zr (from TEMPUS MSL-1, FO2) 1.45x10-4 ρ (Ω cm) 1.40x x x10-4 ρ tabulated ρ sol, calibrated ρ liq 1.25x x T [ C] T l

15 SPEZIFISCHE WÄRME VON ZrNiCuAlNb Ziel: Bestimmung der spezifischen Wärme als Funktion der Unterkühlung in metallischen Glasbildnern Methode: Modulationskalorimetrie in UHV P in = f {P 0 + P ω cos(ωt)} = P rad = 4πR 2 εσt 4 T ω = {f P ω /ω c p }{1+(ωτ 1 ) -2 + (ωτ 2 ) 2 } -1/2 Experiment: 30 Zyklen, T m =817 C, T max =155 C Temperature [ C] Heater [mv] Time [s] 0

16 OBERFLÄCHENSPANNUNG VON AUCU Ziel: Messung der Oberflächenspannung Methode: 0scillating drop technique δr(θ,φ,t) Y(θ,φ) cos(ωt) exp(-γ t) 32π γ 3 m = ω 2 R 1-g spectrum µ-g spectrum Amplitude [a.u.] Normalized oscillation frequency [ω/ω R ] Ergebnis: Bestätigung der Cummings-Korrektur 1.3 Au 56 Cu 44 Surface Tension [N/m] T l 1g-results uncorrected 1g-results corrected µg-results from IML-2 ideal solution model Temperature [K]

17 VISKOSITÄT VON PdCuSi Ziel: Bestimmung der Viskosität Methode: "Oscillating drop technique": δr(θ,φ,t) Y(θ,φ) cos(ωt) exp(-γ t) 4 3 R = R 0 cos(ωt) e -Γt radius change (%) Γ= 20π 3 Rη m time (s) Experiment: 16 Zyklen, 50 Pulse, T m =870 C, T=85 C 80 Viscosity, mpa s Vogel-Fulcher fit Arrhenius fit STS-83 data STS-94 data data of Lee et al. Pd 76 Cu 6 Si Temperature, K

18 PERSPEKTIVEN MSL-EML auf ISS-COLUMBUS Anlage im Bau Axial Pyrometer and/or Camera Vacuum Valve Illumination R.F. Capacitors 9 Samples with Launch Lock Radial Pyrometer and/or Camera DC Ma Sample Exchange and Transfer Neue internationale Projekte - ThermoLab - CoolCop - IMPRESS