Post on 05-Apr-2015
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
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
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
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
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
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
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
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
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
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
schwerelos!
So nicht!
22 Sekunden Schwerelosigkeit im Flugzeug –
Einschränkungen!
Evolutionsbiologie
Beschleunigerexperimente
Komplexe Kristalle
Pyrotechnik
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
schwerelos!
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
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
schwerelos!
Das Phänomen Ferrofluid Idee: Weiterer Term in Bewegungsgleichung von
Flüssigkeiten
Flüssigkeit durch äußeres Magnetfeld kontrolliert
Umsetzung: Kolloidale Suspension winziger
Magnetitpartikel
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
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
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
schwerelos!
Anwendungen von Ferrofluiden Dichtungen
Medizintechnik
Spiegel
schleifen
Dämpfer
Spielzeug
uvm
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
schwerelos!
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
§]
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
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
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
schwerelos!
Eine große Black Box?
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
schwerelos!
Ein Teelöffel Ferrofluid Ferrofluid und Alkohol in Glasgefäß
Eingegossen in Kunstharz
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
schwerelos!
15 kg Eisen Zwei Spulen erzeugen
Felder
Polschuhmagnet
Beleuchtung
Achse mit
Nachführsystem
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
schwerelos!
Elektromagnet mit hochreinem Eisenmantel
Symmetrisches Design sorgt für sehr
homogenes Magnetfeld
Weitere Abschirmung unnötig
Außen schwach, innen stark
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
schwerelos!
Little Black Boxes
Laptop zur Ansteuerung des Spulenstroms
Netzgerät für Spulenstrom
D/A-Wandler zwischen Laptop und Netzgerät
SteuerungselektronikZwei Kameras
Notschalter
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
schwerelos!
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
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
schwerelos!
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
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
schwerelos!
Das Ergebnis! Befestigung auf Aluminium-Bodenplatte
Abdeckung durch Käfig aus Profilen
... Und zu guter Letzt: Schaumstoffpolsterung und viel Klebeband!!!
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
schwerelos!
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
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
schwerelos!
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
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
schwerelos!
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
§]
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
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)
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
schwerelos!
Datenreduktion II Ellipsen an Form des
Ferrofluids fitten:
Magnetisiertes Ferrofluid
gut durch Ellipse
beschrieben
Exzentrizität
interessantester
Parameter:
bleiben noch 130 Zahlen
pro Parabel
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
schwerelos!
Und Action!
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
schwerelos!
Apollo 13
Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007
Parabelflug
Ferrofluide
Experiment
Bastelstunde
Analyse
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