Mikrofluidik im Weltraum

Ferrofluid-Experiment auf der ISS Mikrofluidik im Weltraum

13.03.2020Redakteur: M.A. Bernhard Richter

Die Raumfahrt bietet Möglichkeiten der Forschung und Erweiterung von Erkenntnissen in einer nahen kosmischen Umgebung. Eine große Herausforderung stellt dabei das Verhalten von Flüssigkeiten im All dar.

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Der deutsche ESA-Astronaut Alexander Gerst mit den Experimentboxen.
(Bild: NASA / CC0 )

Das Experiment „Pump Application using Pulsed Electromagnets for Liquid reLocation“ (PAPELL) war Teil des Überflieger-Wettbewerbs des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Im Rahmen dieses Wettbewerbs konnten Studenten verschiedene Experimente zur Durchführung auf der Internationalen Raumstation ISS vorschlagen.

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Bildmaterial aus der Box: die Bewegung des Ferrofluids.

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Ein Team aus Stuttgart, bestehend aus Mitgliedern der studentischen Kleinsatellitengruppe der Universität Stuttgart (KSat e.V.) mit Betreuung des Instituts für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart, konnte die Jury mit ihrer Einreichung überzeugen.

Die Idee der Stuttgarter: ein Experiment zur Untersuchung von Ferrofluidverhalten in Schwerelosigkeit zum Zweck der grundlegenden Technologiedemonstration von mechanikfreien Fluidaktuatoren/Pumpensystemen und zur Überprüfung der Manipulationsmöglichkeit und -Zuverlässigkeit von Ferrofluiden in Mikrogravitationsbedingungen der ISS.

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Ziel des Experiments: Mithilfe der gewonnenen Ergebnisse können Prinzipien für Aktuatoren geschaffen werden, die ohne Mechanik funktionieren und damit verschleißfrei, langlebig und zuverlässig ihren Dienst verrichten können. In diesem Zusammenhang sollte die Funktionalität einer Ferrofluid-Pumpe unter Mikrogravitation untersucht werden.

Vertrauen in die Konstruktion

Nachdem das Experiment ausgewählt worden war, begann die Arbeit des Teams. Dabei erwies sich die Konstruktion als eine besondere Herausforderung, die viel Vertrauen in die ausgewählten Komponenten erforderte: Schließlich mussten alle Komponenten in einer nahezu schwerelosen Umgebung zuverlässig autonom arbeiten. Für das Experiment war es notwendig, alle Systeme in einer kompakten Experimentbox mit den Kantenmaßen 10 cm x 10 cm x 15 cm unterzubringen. Diese Box umfasste sowohl Elektronik und die Stromversorgung als auch alle mechanischen und fluidischen Komponenten.

Viele der darin enthaltenen Komponenten wurden mit Hilfe moderner 3D-Druck-Verfahren wie z.B. Metall-Laser-Sintern konstruiert. Die Wissenschaftler entwarfen das interne Batteriesystem, um es ideal auf die Anforderungen abzustimmen. Die Elektronik umfasste selbst entworfenen Platinen sowie handelsübliche Raspberry-Pi-Computer, Lithium-Polymer-Batterien, Raster mit handelsüblichen Elektromagneten und LEDs zur Beleuchtung bestand. Darüber hinaus ergänzten SMD-Bauteile zur Messung von Temperatur, Magnetfeld, Vibration und Geräusch(en) und Raspberry-Pi-Kameras zur optischen Aufnahme die Sensorik des Systems.

Astronaut Alexander Gerst bei der Integration der PAPELL-Box
(Bild: NASA / CC0 )

Robuste Mikropumpe im Einsatz

Für die Ferrofluidführung wurden selbstentworfene Blasentanks, raumfahrtqualifizierte Ventile und eine mp6-Membran-Mikropumpe von Bartels Mikrotechnik verwendet. Die kleine, leichte und sehr robuste mp6-Mikropumpe diente zum Transport von Ferrofluid aus Blasentanks in die jeweiligen Experimentbereiche.

Mit jeweils zwei Piezoaktoren baute diese Pumpe Drücke von etwa 800 mbar auf und konnte präzise Flussraten von wenigen ml/Min erreichen. Durch die elektronische Steuerung der Spannung und der Betriebsfrequenz der Piezoaktuatoren wurde der für die jeweiligen Experimente notwendige Transport des Ferrofluids eingestellt. Diese Betriebsparameter wurden durch entsprechende Kalibrierung bestimmt.

Typische Flussraten und Gegendrücke für bestimmte Medien (Werte bestimmt mit mp-x: 100 Hz, 250 V, SRS):

Regelbare Flussrate Wasser 8 µl/min – 8000 µl/min

Typ. Flussrate Wasser 6 ml/min

min. Gegendruck Wasser 500 mbar

Typ. Flussrate Luft 20 ml/min

Typ. Gegendruck Luft 80 mbar

Die Bewegungen der Ferrofluide wurden bei ihrer Manipulation durch Magnetfelder über ein Kamerasystem erfasst und abgespeichert. Über eine USB-Schnittstelle erfolgte mittels der ISS-Systeme die Kommunikation zur Erde.

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Erforschung und Anwendung von Ferrofluiden

Ein Ferrofluid oder ferromagnetisches Fluid ist eine Flüssigkeit, die in Gegenwart eines Magnetfeldes stark magnetisiert wird. Ferrofluide sind kolloidale Flüssigkeiten, die aus nanoskaligen ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Teilchen bestehen, die in einer Trägerflüssigkeit (normalerweise ein organisches Lösungsmittel oder Wasser) suspendiert sind. Jedes Teilchen ist mit einem Tensid beschichtet, um ein Verklumpen zu verhindern. Größere ferromagnetische Partikel können aus der homogenen kolloidalen Mischung herausgerissen werden und bilden einen separaten Klumpen von magnetischem Staub, wenn sie starken Magnetfeldern ausgesetzt werden. Die magnetische Anziehungskraft von Nanopartikeln ist schwach genug, dass die Van-der-Waals-Kraft des Tensids ausreicht, um magnetische Verklumpung oder Agglomeration zu verhindern. Ferrofluide behalten in Abwesenheit eines von außen angelegten Feldes normalerweise keine Magnetisierung bei und werden daher oft als „Superparamagnete“ und nicht als Ferromagnete klassifiziert.

Ferrofluide werden verwendet, um Flüssigkeitsdichtungen um die sich drehenden Antriebswellen in Festplatten zu bilden. Die rotierende Welle ist von Magneten umgeben. Eine kleine Menge Ferrofluid, die in den Spalt zwischen Magnet und Welle eingebracht wird, wird durch seine Anziehung auf den Magneten an Ort und Stelle gehalten.

Ferrofluide haben reibungsreduzierende Eigenschaften. Wenn sie auf die Oberfläche eines ausreichend starken Magneten, z.B. aus Neodym, aufgebracht werden, können sie den Magneten mit minimalem Widerstand über glatte Oberflächen gleiten lassen. Ferrofluide bieten eine interessante Möglichkeit, Schwingungsenergie aus der Umwelt zu gewinnen. Bestehende Methoden zur Gewinnung von niederfrequenten (<100 Hz) Schwingungen erfordern die Verwendung von festen Resonanzstrukturen. Mit Ferrofluiden benötigen Energie-Erntemaschinen-Designs keine feste Struktur mehr.

Mikrogravitations-Forschung

Im Rahmen der Tests, die von dem deutschen ESA-Astronauten Alexander Gerst betreut wurden, wurden die Parameter bestimmt, die notwendig sind, unter diesen Bedingungen die gewünschten Operationen durchzuführen. Dabei ist es erfolgreich gelungen, Ferrofluidtropfen zu erzeugen, zu bewegen, zu spalten und auch wieder zu verschmelzen. Effekte, die auf Oberflächenspannung, Viskosität und Magnetfeldgeometrie basieren, sind in einer Mikrogravitionsumgebung wie sie auf der ISS herrscht, stärker ausgeprägt. Deshalb wurden Transportprozesse beobachtet, die bisher nicht auf der Erde reproduziert werden konnten.

Eine wiederverwendbare selbstlandende Falcon-9-Rakete der Firma Space-X brachte die Experimente zur ISS.
(Bild: Saskia Suetterlin (KSat e.V.))

Künftige Experimente sollen untersuchen, in welchem Ausmaß Ferrofluide in Kombination mit anderen Fluiden und Festkörpern für die Herstellung mechanikfreier Komponenten genutzt werden können oder besondere Effekte unter die Lupe nehmen, wie z.B. die Rosensweig-Instabilität, bei der Ferrofluide charakteristische Stacheln bilden.

Im Anschluss an die Erkenntnisse aus dem PAPELL-Experiment wird derzeit die Entwicklung von Lageregelungssystemen auf Basis von zirkulärer Ferrofluidbewegung vorangetrieben. Ein solches System kann ohne Mechanik die Ausrichtung eines Raumfahrzeugs steuern.

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