>Zentrum für angewandteRaumfahrttechnologie undMikrogravitation

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Das Zentrum für angewandte Raumfahrt-

technologie und Mikrogravitation (ZARM) ist ein

wissenschaftliches Institut des Fachbereichs

„Produktionstechnik“ der Universität Bremen

unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Hans J. Rath.

Das Institut wurde im September 1985 mit der

Motivation gegründet, ein Zentrum zur

schwerpunktmäßigen Untersuchung gravita-

tionsabhängiger Phänomene und raumfahrtre-

levanter Probleme zu schaffen.

In dieser Rolle ist das ZARM innerhalb von

kurzer Zeit zum größten und zu einem der

bedeutendsten raumfahrttechnischen Univer-

sitätsinstitute in Europa geworden. Am ZARM

arbeiten ca. 80 WissenschaftlerInnen, Techniker-

Innen und Verwaltungsangestellte, sowie zahl-

reiche Studierende aus unterschiedlichen Fach-

bereichen wie Produktionstechnik, Physik, Ma-

thematik und Informatik.

Das zentrale Großlabor des ZARM ist der 146m

hohe Fallturm, in dem erdgebundene

Experimente unter kurzzeitiger Schwerelosigkeit

höchster Qualität durchgeführt werden können.

Die mit dem Betrieb des Fallturms betraute

ZARM-Fallturmbetriebsgesellschaft wurde 1990

mit Inbetriebnahme des Fallturms Bremen

gegründet und beschäftigt weitere technische

und administrative Mitarbeiter.

Mit einer Höhe von 146 Metern ist der Fallturm

Bremen das herausragende Labor des ZARM und

auch der einzige Fallturm in Europa. Hier kann

unabhängig von den Zeitplänen der Raumfahrt

kostengünstig und vor allem kontinuierlich unter

den Bedingungen der Schwerelosigkeit expe-

rimentiert werden. Außerdem kann die zeitliche

Abfolge der Versuche sehr flexibel gestaltet

werden. Auch andere Varianten wie Parabelflüge

mit einem Flugzeug oder einer Rakete („Sounding

Rocket“) sind teurer und bieten nur eine deutlich

niedrigere Qualität der Mikrogravitation.

Diese ist im Vergleich aller Laborsysteme im

Bremer Fallturm mit 10-6g0, also einem Millionstel

der Erdbeschleunigung, am besten und

ermöglicht eine hervorragende Vorbereitung auf

längere Experimente an Bord von Satelliten und

der Internationalen Raumstation (ISS).

Der Fallturm ist aus diesem Grund ein

international sehr beachtetes Labor, das Jahr für

Jahr von vielen Wissenschaftlern aus aller Welt

zur Durchführung von Experimenten aus den

Bereichen der Fluidmechanik, Verfahrenstechnik,

Verbrennung, Materialwissenschaften, aber auch

der Biologie und Biotechnologie besucht wird.

Im Dezember 2004 stieß das ZARM in eine

neue Dimension der Mikrogravitationsforschung

vor: es wurde eine Katapultanlage in Betrieb

genommen, die im ZARM entwickelt wurde und

weltweit einzigartige Forschungsbedingungen

schafft. Die Dauer eines Fallexperiments kann

nun verdoppelt werden, wenn statt des einfachen

freien Falls ein „senkrechter“ Parabelflug

durchgeführt wird. �

� Abbildung 2Der Fallturm Bremen (146 m) istein in Europa einzigartigesGroßlabor, das Experimenteunter kurzzeitigerSchwerelosigkeit ermöglicht

� Abbildung 1Der ZARM Leitstand bei derVorbereitung eines Experiments

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Was wird erforscht?

Unter Schwerelosigkeit lassen sich viele verfah-

renstechnische Probleme ohne den maskieren-

den Einfluss der Schwerkraft erforschen. So

werden z.B. Oberflächenspannungskräfte oder

Kapillarkräfte bei Fluiden dominant, während auf

der anderen Seite der Auftrieb aufgrund ther-

mischer Konvektion verschwindet. Die Schwere-

losigkeit bietet deshalb ideale Bedingungen zur

Untersuchung von Verbrennungsvorgängen, des

Transports mehrphasiger Fluide, von Problemen

der Wärmeübertragung bei verschiedenartigen

Prozessen, aber auch von speziellen Strö-

mungsvorgängen und Strukturbildungen in

Schmelzen.

Eine Forschungsabteilung des ZARM konzen-

triert sich auf die Untersuchung schwerkraft-

abhängiger Phänomene in der Fluidmechanik.

Hier wurde in enger Zusammenarbeit mit dem

Unternehmen Astrium ST eine neue Generation

von Satellitentanks entwickelt, in denen der

Treibstoff nur mit Hilfe der Kapillarkräfte

transportiert wird. Daneben betreibt das Institut

am Fallturm die weltweit einzige laserbasierte

Verbrennungsdiagnostik für die Anwendung un-

ter Schwerelosigkeit. Die Forschungsgruppe

Gravitation beschäftigt sich u.a. mit Bose-Ein-

stein-Kondensaten (BECs). Nachdem ihre Existenz

vor etwa 100 Jahren von Albert Einstein und Sat-

yendra Nath Bose vorhergesagt wurde, ist es 1995

gelungen, diese im Labor herzustellen. In einem

Pilotprojekt der deutschen Raumfahrtagentur,

dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt

e.V. (DLR), sollen die Eigenschaften von BECs unter

Schwerelosigkeit im Fallturm untersucht werden.

Die Raumfahrttechnik ist ein weiterer

Forschungsschwerpunkt des ZARM. Mit dem Bau

und Betrieb des Kleinsatelliten BREM-SAT hat das

ZARM große internationale Anerkennung erfah-

ren. Mit der Übernahme der Gesamtprojekt-Koor-

dination hat das ZARM bewiesen, dass der Bau

universitärer Kleinsatelliten nicht nur möglich,

sondern auch von großem Interesse für die For-

schung ist, um schnell aus einer Forschungsidee

ein konkretes Experiment zu machen. Weiterhin

ist das ZARM für größere Satellitenprojekte tätig,

insbesondere im Bereich der hochpräzisen Lage-

regelung und Lageerfassung von Satelliten. Be-

sonders hervorzuheben ist die umfangreiche

Beteiligung am „LISA-Pathfinder“ Projekt der ESA,

bei dem unter anderem an der Drag-Free Rege-

lung des Experiments und der Simulation des Sa-

telliten gearbeitet wird. Seit 2000 war das ZARM

ebenfalls im Bremer ASTRA/PHOENIX-Projekt in-

volviert. Phoenix ist ein verkleinerter Prototyp ei-

nes wieder verwendbaren Raumtransporters, für

den das ZARM eine fortschrittliche GPS/INS-Navi-

gation entwickelt hat. Die Abteilung Mikro-

fluiddynamik widmet sich Bestimmung des

Materialverhaltens sowie der Beschaffenheit von

Oberflächen und Atmosphären zu erforschender

Himmelskörper. Für die detaillierte Planung

zukünftiger Missionen liegen somit exaktere

Vorhersagen über die vor Ort vorliegenden

physikalischen Eigenschaften im Hinblick auf den

Einsatz von Landern oder Rovern vor.

Es werden auch mehrere Forschungsprojekte in

Zusammenarbeit mit dem DLR und der EU

durchgeführt. Dazu gehören die Entwicklung von

Schubverteilungssystemen sowie ein Projekt zur

System-Identifikation und Datenanalyse von

Wissenschaftssatelliten, wie „GAIA“, „LISA“ und

„STEP“. Die französische Satellitenmission

„MICROSCOPE“ beschäftigt sich mit Einsteins

Äquivalenzprinzip. Im ZARM werden die an Bord

befindlichen hochsensiblen Messinstrumente

getestet und entscheidende Missionssimu-

lationen durchgeführt. �

Abbildungen 3 - 7:

� Vorbereitung eines � Verbrennungsexperimentes

� Experimentkapsel auf dem Weg in� die Fallröhre

� Resonator des gepulsten � Yb(YAG)-Scheibenlasers

� Arbeit am Satellit ABRIXAS (© OHBSystem AG)

� Space Shuttle Start

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ZARM - Geschichte

September 1985: Gründung des ZARM alswissenschaftliche Einheit des FachbereichsProduktionstechnik der Universität Bremen

Februar 1987: Beginn der Planung des FallturmsBremen

Juni 1989: Gründung des ZARM-Fördervereins e.V.mit Mitgliedern aus Forschung, Industrie undPolitik

September 1990: Gründung der ZARM-Fallturm-Betriebsgesellschaft mbH und 1. Abwurf einerVersuchskapsel am Fallturm durch denBundesforschungsminister Dr. Heinz Riesen-huber

Oktober 1992: Bezug des zweiten Instituts-gebäudes

Dezember 1993: 1000. Experimentabwurf amFallturm Bremen

Februar 1994: Aussetzen des Forschungssatel-liten BREM-SAT durch das Space ShuttleDiscovery während der STS 60-Mission undBeginn der einjährigen Operationsphase.

März 1995: Inbetriebnahme der Fallturm-Laserdiagnostik für die Verbrennungsforschung

Juni 1995: Start des Experiments TCM (Thermi-sche Konvektion im Kugelspalt) mit einerrussischen Interkontinentalrakete SS-N-18 vonBord eines U-Bootes in der Barents-See undsichere Landung in Kamtschatka

Oktober 1995: Beginn der Vorentwicklung desFallturm-Katapults

Januar 1997: 2000. Experimentabwurf amFallturm Bremen

Mai 1997: Gründung der ZARM-Technik GmbHzur Vermarktung raumfahrttechnischer Kompo-nenten und für die Durchführung wissenschaft-lich-technischer Dienstleistungen im Auftrag derIndustrie

Oktober 1998: Start des CODAG Experimentes(Cosmic Dust Aggregation Experiment) mit derSpace Shuttle Mission STS-95

April 1999: Start von ABRIXAS nach ca. 5-jährigerEntwicklungszeit. Obwohl der Satellit durcheinen Defekt in der Energieversorgung verlorengeht, konnte das fehlerlose Funktionieren dervom ZARM entwickelten Lageregelung nachge-wiesen werden.

November 1999: Baubeginn des Fallturm-Katapults

April 2000: 3000. Experimentabwurf amFallturm Bremen

August 2000: Baubeginn des Gebäudes für eine30g-Zentrifuge

April 2001: ZARM wird in das MICROSCOPEProjekt involviert: die Durchführung derfranzösischen Satellitenmission (CNES, ONERA,ESA) zur Untersuchung des Äquivalenzprinzips istfür 2009 geplant.

Juni 2001: Baubeginn des Laborgebäudes fürVerbrennungsforschung

Juli 2001: International Space University, eineSommerschule für Master-Studenten derRaumfahrtwissenschaften zu Gast in Bremen

Oktober 2003: Ausrichtung des 54. InternationalAstronautical Congress im Messe- undKongresszentrum Bremen. ZARM wird externesLabor der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA)

April 2004: 1. Schuss des Heisswindkanals zurUntersuchung der Selbstzündung technischerSprays im Laborgebäude für Verbren-nungsforschung

April 2004: ZARM erhält den Auftrag zurMitarbeit an der Entwicklung der Drag-Free-Regelung für die ESA-Mission LISA-Pathfinder

Oktober 2004: 4000. Experimentabwurf amFallturm Bremen

Dezember 2004: 1. Katapultschuss einer Fall-kapsel durch die Bundesministerin für Forschungund Technologie Frau Edelgard Bulmahn

März 2005: Inbetriebnahme der 30g-Zentrifuge

August 2005: Wandlung der ZARM-TechnikGmbH in die ZARM-Technik Aktiengesellschaft

Juli 2005: Die Raumfahrtabteilung des ZARMgewinnt ein EU-Projekt für die Arbeit anhochgenauen Modellen für die Dynamik vonSatelliten, das in Kooperation mit der StanfordUniversity (USA) und der Cambridge University(GB) durchgeführt wird.

Dezember 2006: 1. Erfolgreicher Abwurf desAdvanced Disk Lasers für die Diagnostik vonVerbrennungsvorgängen

Abbildungen 8 - 11

� Drucktanks derKatapultanlage

� PHOENIX nach derLandung

� MICROSCOPE Projekt

� International AstronauticalCongress (IAC 2003) in Bremen

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Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation

ZARM Universität Bremen

Am Fallturm

D-28359 Bremen

tel +49 (0)421 218 27 52

fax +49 (0)421 218 25 21

rath@zarm.uni-bremen.de

www.zarm.uni-bremen.de

ZARM-Abteilungen und ihre Forschungsgebiete

Abteilung Mehrphasenströmung

• Grundlagenfragen zur Dynamik der

Grenzflächen zwischen zwei nicht

mischbaren Fluiden

• Transport von Fluiden unter Schwerelosigkeit

• Kapillare Strömungen in Oberflächenspan-

nungstanks von Satelliten

• Mehrphasenströmungen unter Schwerelosig-

keit

• Experimentelle Untersuchung thermokapil-

larer Strömungen

• Kryogene Flüssigkeiten

Abteilung Verbrennung

• Tropfenverbrennung

• Numerische Simulation mehrphasiger Ver-

brennung

• Laserspektroskopische Diagnostik von Ver-

brennungsvorgängen

• Feuersicherheit in der Raumfahrt

• Thermoakustik

Abteilung Raumfahrttechnik

• Bau und Betrieb von Klein- und Mikro-

satelliten (BREM-SAT, Febr. 1994 - Febr. 1995

BREM-SAT II, BREMSTAR)

• Lageregelung von Satelliten (ABRIXAS, DIVA)

• Drag-Free-Regelung (STEP, LISA-Pathfinder,

LISA, HYPER)

• Hochgenaue Simulation von Wissenschafts-

missionen (LISA, STEP, GAIA)

• Datenauswertung für wissenschaftliche

Missionen (GP-B, GAIA)

• Navigation von Raumfahrzeugen (PHOENIX)

Forschungsgruppe Gravitation

• Präzisionsexperimente zur Gravitationsphysik

• Entwicklung hochpräziser Beschleunigungs-

meßsysteme

• Kryogene Sensorik

• Präzisionsexperimente unter Schwerelosigkeit

• Bestimmung und Modellierung von Satelli-

tenorbits

• Relativistische Gravitationstheorie

Abteilung Mikrofluiddynamik

• Kinetische Theorie verdünnter Gase

• Grundlagenforschung zur Dynamik disperser

Systeme

• Strömung granularer Medien

• Wirbelschichten und partikelbeladene Strö-

mungen

• Turbulenzmodellierung

• Thermoaerodynamik

Abbildungen 12 - 16 von oben nach unten

� Fallturm Bre men

� Videosequenzen eines Fall -turmabwurfes mit einem Modelleines Oberflächenspannungs -tan kes.

� BREM-SAT kurz nach demAussetzen vom Space-Shuttle(©NASA)

� Interferometrische Dia -gnostik an brennendenKraftstoff trop fen unter μg

� Bergung der Wieder kehr- kapsel (WKK) mit TCM

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