Experimente in der Schwerelosigkeit isolieren klassisches Diffusionsphänomen

Zur Beschreibung einer wichtigen Klasse von Mischeffekten, wie sie beispielsweise bei der Strömung in einem chemischen Reaktor auftreten, werden seit Jahren verschiedene Modelle entwickelt. Die experimentelle Validierung hinkt jedoch aufgrund der Überlagerung von Gravitationseffekten weit hinterher.

Ein europäisches Forscherteam unter Beteiligung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) sowie Partnern der Universität Szeged (Ungarn) und der Université libre de Bruxelles (ULB, Belgien) hat diese Lücke nun mit Experimenten unter Schwerelosigkeit geschlossen. Ergebnisse sind veröffentlicht in npj Mikrogravitation.

Sogenannte Reaktions-Diffusionsfronten entstehen, wenn zwei Chemikalien miteinander reagieren und sich dabei gleichzeitig ausbreiten. Wissenschaftler können diesen Effekt nutzen, um Probleme in der Chemie und Physik, aber auch in ganz anderen Bereichen wie der Finanzwelt oder der Linguistik zu modellieren und besser zu verstehen, da die zugrundeliegenden mathematischen Gleichungen dieselben Eigenschaften aufweisen.

Komplizierter wird es, wenn Forscher diese Reaktionen mit Strömungen kombinieren. Prozesse dieser Art sind für technologische Anwendungen bei Verbrennungsprozessen, in der Geologie, bei der Herstellung bestimmter Materialien oder bei der Speicherung von Kohlendioxid wichtig. Trotz der Fülle an Anwendungen sind wesentliche Teile dieser Systeme noch nicht vollständig verstanden.

„Bislang wurden Experimente zur Überprüfung von Modellen solcher Prozesse durch Auftriebseffekte verzerrt, die durch Dichteunterschiede zwischen den Reaktionslösungen verursacht werden. Um dieses Problem zu isolieren, haben wir Experimente unter Ausnutzung der Schwerelosigkeit an Bord einer Höhenforschungsrakete durchgeführt.

„Unsere Partner haben parallel dazu numerische Simulationen durchgeführt, um die Bedeutung der zweidimensionalen Effekte aufzuzeigen, die in einfachen eindimensionalen Modellen nicht berücksichtigt werden können“, skizziert Dr. Karin Schwarzenberger vom Institut für Fluiddynamik des HZDR die Arbeit ihres Teams.

Raketenstart am Polarkreis

Das Experiment fand am 1. Oktober 2022 statt – an Bord der Höhenforschungsrakete TEXUS-57, die vom Weltraumbahnhof Esrange, 40 Kilometer östlich von Kiruna in Schweden, gestartet war. Das Gemeinschaftsprojekt von Airbus Defense & Space, der Europäischen Weltraumorganisation ESA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) transportierte unter anderem das Experimentalmodell des Schwarzenberger-Teams an den Rand des Weltalls.

Das Modul verfügte über drei Reaktoren unterschiedlicher Größe, bestehend aus Glasplatten, die in unterschiedlichem Abstand übereinander gestapelt waren. Die Rakete erreichte eine Höhe von 240 Kilometern und erreichte für fast sechs Minuten einen Zustand nahezu völliger Schwerelosigkeit.

Während dieser Zeit konnten die Forscher ihre Experimente, die das Ergebnis jahrelanger, sorgfältiger Planung waren, automatisch ablaufen lassen. Die Reaktion wurde ausgelöst, als die Schwerelosigkeit einsetzte.

Drei hochauflösende Kameras filmten die Reaktionsfronten, die sich zwischen zwei strömenden Flüssigkeiten ausbreiten. Diese Bilder standen im Mittelpunkt aller Bemühungen des Teams: Mit ihrer Hilfe können die Forscher nun einen ganz bestimmten Mischeffekt von anderen Strömungsphänomenen trennen.

Strömungsphysik in der Schwerelosigkeit

Strömungen in Flüssigkeitskanälen weisen aufgrund der Reibung mit den Wänden eine ungleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung auf, die wiederum den Transport gelöster Substanzen und diffundierender Reaktanten in der Flüssigkeit beeinflusst. Dieser Diffusionseffekt ist als Taylor-Aris-Dispersion bekannt, benannt nach den beiden Forschern, die in den 1950er Jahren die Grundlagen für sein Verständnis legten. In der Vergangenheit wurden in theoretischen Studien Modelle unterschiedlicher Komplexität vorgeschlagen, um das Zusammenspiel von Taylor-Aris-Dispersion und chemischen Reaktionen zu beschreiben.

Im Hinblick auf Anwendungen ist es allerdings wichtig, die Voraussetzungen zu beurteilen, unter denen die verschiedenen Modelle eingesetzt werden können. Dazu wurden Experimente durchgeführt, um die Taylor-Aris-Dispersion von anderen Strömungsphänomenen zu isolieren. Auf der Erde wird die Taylor-Aris-Dispersion im Wesentlichen durch Auftriebseffekte überlagert, die durch die Schwerkraft verursacht werden.

Bisher versuchten Forscher, den Auftriebseffekt durch den Einsatz flacher Reaktoren zu minimieren – allerdings funktionierte dies nie ganz, da für viele Anwendungsgebiete immer ein gewisser Bereich an Reaktorhöhen und Strömungsgeschwindigkeiten abgedeckt werden musste. Je größer das Strömungssystem, desto stärker ist allerdings die Schwerkraft. Diese Einschränkungen konnten die Forscher nun in der Schwerelosigkeit überwinden.

Ein Vergleich mit den Referenzexperimenten am Boden ergab, dass bei größerer Reaktorhöhe unter Schwerelosigkeit deutlich weniger Reaktionsprodukte entstanden. Noch wichtiger waren die Bilddaten der Reaktionsfronten, die nicht durch Auftriebseffekte verzerrt waren.

So gelang es den Brüsseler Partnern, die Entwicklung der Front in verschiedenen theoretischen Modellen nachzubilden. Die gemeinsame Auswertung zeigte, dass in sehr flachen Reaktoren mit langsamer Strömung einfache eindimensionale Modelle verwendet werden können. Bei größeren Reaktoren oder schneller Strömung sind dagegen zweidimensionale Modelle mit Taylor-Aris-Dispersion erforderlich.

Innerhalb dieser Gültigkeitsbereiche lassen sich die entsprechenden Korrelationen nun zur Vorhersage der Produktbildung nutzen. Dies kann zum Design neuartiger Reaktoren, zur gezielten Synthese von Partikeln und zum Fluidtransport in geologischen Schichten, aber auch zur Versorgung von Raumstationen, wo andere Gravitationsbedingungen als auf der Erde herrschen, eingesetzt werden.