Physik im Sturzflug Verhalten von Ferrofluiden in Schwerelosigkeit ESA Student Parabolic Flight...

Physik im Sturzflug

Verhalten von Ferrofluiden in Schwerelosigkeit

ESA Student Parabolic Flight Campaign 2005Ulrike Endesfelder, Elisabeth Krause,

Anne Angsmann, Sebastian Bürgel, Alice Verweyen

Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007

Parabelflug

Ferrofluide

Experiment

Bastelstunde

Analyse

schwerelos!

Team „Ferrofluids“Im Uhrzeigersinn:

Anne Angsmann, Sebastian Bürgel, Elisabeth Krause, Ulrike Endesfelder

und Alice Verweyen


Parabelflug

Ferrofluide

Experiment

Bastelstunde

Analyse

schwerelos!

European Space Agency ESA 1975 gegründet, Hauptsitz Paris

17 Mitglieds-Länder

sowie Kooperationspartner

Bekannteste Projekte:

Ariane-Trägerrakete

Galileo Satellitennavigationssystem

ATV (Automated Transfer Vehicle)

Ziele: Erforschung des Weltraums, Entwicklung neuer Technologien für die

Raumfahrt, Förderung der europäischen Wirtschaft, Öffentlichkeitsarbeit


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schwerelos!

Nachwuchsförderung der ESA Science on Stage: www.science-on-stage.de

Science in School Journal: www.scienceinschool.org

Teilnahme an Kongressen (IAC, Life-Science)

Studenten-Satelliten (YES2, SSETI)

Student Parabolic Flight Campaign SPFC

Young Graduate Trainee

Und viele mehr!

www.esa.int/education


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Ferrofluide

Experiment

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schwerelos!

Student Parabolic Flight Campaign SPFC Jährlicher Studentenwettbewerb

30 Teams mit mind. 4 Personen

Eigenes Experiment in 0 g

Motivation: realistischen Einblick in Missions-

Planung/Design, Erweiterung der Bekanntheit

der ESA


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schwerelos!

Kontrollierter freier Fall

ca. 22s Schwerelosigkeit/Parabel, vorher & nachher je 20s ca. 1,8 g

31 Parabeln/Flug über 11 min reine Experimentierzeit in 0 g

Güte der Schwerelosigkeit: Mikrogravitation zwei Flüge, dadurch Anpassungen am Experiment möglich


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So nicht!

22 Sekunden Schwerelosigkeit im Flugzeug –

Einschränkungen!

Evolutionsbiologie

Beschleunigerexperimente

Komplexe Kristalle

Pyrotechnik


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Von der Idee zum Experiment Exponat im Deutschen Museum Bonn

Frühere Teilnahme an einer SPFC Angebot und

Anforderungen bekannt

Magnetismus als eines der Forschungsgebiete von Herrn Maier

Spieltrieb


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Das Phänomen Ferrofluid Idee: Weiterer Term in Bewegungsgleichung von

Flüssigkeiten

Flüssigkeit durch äußeres Magnetfeld kontrolliert

Umsetzung: Kolloidale Suspension winziger

Magnetitpartikel


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schwerelos!

Ein bisschen Physik Ferrofluid in vertikalem Magnetfeld

in starkem Magnetfeld wird Oberfläche

instabil

aus Störungstheorie:

Einfluss von , umfangreich überprüft; wir

wollen kein g!

/g

Bcr2 g


Parabelflug

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Anwendungen von Ferrofluiden Dichtungen

Medizintechnik

Spiegel

schleifen

Dämpfer

Spielzeug

uvm


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Magnetfelder Was machen wir während 60 Parabeln?

22s 0g, |B|<2500 G (Stromverbrauch), |B|<1000 G

(Wärme)

Flug 1: Überblick über Parameterbereich

verschaffen, vers. Feldstärken, Zeitabhängigkeit

Flug 2: Weitere Messungen im Bereich Bcr < |B| <

Bsat

-40

-30

-20

-10

0

10

20

0 5 7 9 11 15 17 19t [sec]

B [

Gau

§]

-100-80-60-40-20020406080100

0 4 12 20

t [sec]

B [

Gau

§]


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Analyse

schwerelos!

Ablauf der SPFC Ausschreibung des Wettbewerbs, November 04

Erste Team-Auswahl, Anfang März 05

Endgültige Auswahl, Ende März 05

Workshop bei ESTEC, April 05

Erster Sicherheitscheck, Mai 05

Einreichen der medizinischen Unterlagen, Juni 05

Durchführung der Parabelflüge, Juli 05


Parabelflug

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Analyse

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Eine große Black Box?


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Ein Teelöffel Ferrofluid Ferrofluid und Alkohol in Glasgefäß

Eingegossen in Kunstharz


Parabelflug

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15 kg Eisen Zwei Spulen erzeugen

Felder

Polschuhmagnet

Beleuchtung

Achse mit

Nachführsystem


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Elektromagnet mit hochreinem Eisenmantel

Symmetrisches Design sorgt für sehr

homogenes Magnetfeld

Weitere Abschirmung unnötig

Außen schwach, innen stark


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Little Black Boxes

Laptop zur Ansteuerung des Spulenstroms

Netzgerät für Spulenstrom

D/A-Wandler zwischen Laptop und Netzgerät

SteuerungselektronikZwei Kameras

Notschalter


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Und es dreht sich Während Parabel Rotation um Flügelachse (ca. 90°)

Alle anderen Schwankungen fluktuieren, nur

Rotation um feste Achse

Ausgleich notwendig, um Reibungs- und Scherkräfte

zu vermeiden

Gesucht: System zur Stabilisierung


Parabelflug

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Wir drehen gegenan Lösung: ESP (Electronic Stability Program)

von Bosch:

hält normalerweise Autos in der Bahn

Funktionsweise: Messung der

Winkelgeschwindigkeit perfekt geeignet für unseren Zweck!

Einsatz des ESP in unserem

Experiment:

Befestigung auf Magnetachse

Gemessene

Winkelgeschwindigkeit

als Input an Nachführmotor

Motor exakt gegendrehend,

so dass Orientierung der

Magnetachse konstant


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Das Ergebnis! Befestigung auf Aluminium-Bodenplatte

Abdeckung durch Käfig aus Profilen

... Und zu guter Letzt: Schaumstoffpolsterung und viel Klebeband!!!


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Sicherheitsbestimmungen Betreiber des A300 (Novespace) kontrolliert

Einhaltung der Richtlinien

Flüge gelten als Testflüge mit dementsprechenden

Sicherheitsvorschriften:

Stabilität des Aufbaus bis 9g (crash load)

Liste aller (un)möglichen Gefahren und derer

Vermeidung

Medizinische Tests der Experimentatoren


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Unser Experiment wird gesichert Glasgefäß mit Ferrofluid in Kunstharz eingegossen

(doppelwandig)

Kunstharz optimal für Bildqualität, keine Verzerrung

durch Brechung

Stabilität: Bauteile und Befestigungen stark

überdimensionsioniert, Käfig

Lüfter gegen Überhitzung (Elektronik und Magnet)

FI-Schalter, Stromsicherungen & Notschalter

Missverständnis bei Gewichtsgrenze (100 kg/lin.

Meter): wegen „Übergewicht“ Teile der Bodenplatte

entfernt, beinahe auch Eisenklotz verkleinert


Parabelflug

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Qualitative Analyse

Auslenkung ab ~ 5 G (Bodentests: 60 G)

Im Rahmen der zeitlichen Auflösung hängt die

Auslenkung nur vom momentan angelegten Feld ab

In 0g keine Rosensweig-Instabilitäten beobachtet

-40

-30

-20

-10

0

10

20

0 5 7 9 11 15 17 19

t [sec]

B [

Gau

§]

-100-80-60-40-20020406080100

0 4 12 20

t [sec]

B [

Gau

§]


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Ferrofluide

Experiment

Bastelstunde

Analyse

schwerelos!

Datenreduktion I Aufgabe: 15 Stunden Film Physik (wenige Zahlen)

Projektionen synchronisieren, in Einzelbilder

umwandeln

Kratzer maskieren, Bilder mit Luftblase verwerfen

Ferrofluid identifizieren (Kontrast wäre toll)

Bis hier: 200 MB Film 480000 Datenpunkte (je

Parabel)


Parabelflug

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Datenreduktion II Ellipsen an Form des

Ferrofluids fitten:

Magnetisiertes Ferrofluid

gut durch Ellipse

beschrieben

Exzentrizität

interessantester

Parameter:

bleiben noch 130 Zahlen

pro Parabel


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Und Action!


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Apollo 13


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schwerelos!

Weitere Informationen:

www.esa.int/education

www.ferrofluids.de.vu

Vielen Dank an:

Prof. K. Maier

Dr. K. Peithmann

Elektronikwerkstatt HISKP

Feinmechanikwerkstatt HISKP

uvm

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