Center Space Physics Research - baylor.edu

14
1 Center for Astrophysics, Space Physics and Engineering Research 2013 Baylor University RET Program Investigating Microgravity and the Physics of a Drop Capsule Dr. Steve Rapp Linwood Holton Governor’s School P.O. Box 1987 Abingdon, VA 24210 [email protected] Abstract—the researcher experienced a combination of educational research and experimental research during this Research Experience for Teachers program. One of the objectives was to test a drop capsule to see if a one second microgravity environment could be achieved during free fall. After several modifications of the drop capsule were made, a microgravity environment of .7 seconds was attained. This paper will also explore what microgravity is and why experimentalists are studying it, how microgravity environments are created, and present details of the microgravity experiment completed during this program What is Microgravity? First, to understand the concept of microgravity let’s discuss gravity for a moment. Gravity is an attractive force that affects every object in the universe. The Earth’s gravity pulls us toward its center, but we also attract the Earth, even though that attraction is minute. By stepping on a bathroom scale we can see how much we weigh. So, the force of the pull of Earth’s gravity is what determines our weight. Microgravity is an environment in which the apparent weight of a system (or us) is small compared to its actual weight due to gravity. You may have heard the term “zero gravity” on newscasts or even in a book. You may have thought that this meant there is no gravity. Zero gravity does not mean there is no gravity; gravity is just less than gravity normally experienced on Earth [1]. Why do Microgravity Research? Many people assume that any research conducted in space is done mainly to benefit the space mission. However, this assumption may be incorrect. There are many industrial based researchers who find microgravity research extremely valuable in solving ground based problems. Microgravity research is proving to be beneficial to many different science areas such as materials, thermo physical properties, fluids, foams and emulsions science, thermal physics and heat transfer, cold atom technology, biotechnology, and combustion science [2]. For example, microgravity research is helping researchers find ways to improve the combustion process. On Earth, flames are driven by convection currents resulting in a familiar rising flame as found in a candle or camp fire (see image 1 below). In microgravity convection does not occur and therefore combustion can occur only as quickly as oxygen can diffuse in and the

Transcript of Center Space Physics Research - baylor.edu

1  

Center for Astrophysics, Space Physics and Engineering Research 2013 Baylor University RET Program 

 Investigating Microgravity and the Physics of a Drop Capsule 

Dr. Steve Rapp Linwood Holton Governor’s School 

P.O. Box 1987 Abingdon, VA 24210 [email protected] 

   Abstract—the  researcher  experienced  a  combination  of  educational  research  and   experimental research during this Research Experience for Teachers program.    One of   

the  objectives  was  to  test  a  drop  capsule  to  see  if  a  one  second  microgravity environment  could  be  achieved  during  free  fall.  After  several modifications  of  the drop capsule were made, a microgravity environment of .7 seconds was attained. This paper will also explore what microgravity is and why experimentalists are studying it, how microgravity environments are created, and present details of  the microgravity experiment completed during this program 

 What is Microgravity?  First, to understand the concept of microgravity let’s discuss gravity for a moment. Gravity is an attractive force that affects every object in the universe. The Earth’s gravity pulls us toward its center, but we also attract the Earth, even though that attraction  is minute. By stepping on a bathroom scale we can see how much we weigh.  So, the force of the pull of Earth’s gravity is what determines our weight.  Microgravity is an environment in which the apparent weight of a system  (or us)  is small compared to  its actual weight due to gravity. You may have heard the term  “zero gravity” on newscasts or even  in a book. You may have  thought  that  this meant there  is  no  gravity.  Zero  gravity  does  not mean  there  is  no  gravity;  gravity  is  just  less  than gravity normally experienced on Earth [1].     Why do Microgravity Research?  Many people assume that any research conducted in space is done mainly to benefit the space mission.  However,  this  assumption  may  be  incorrect.  There  are  many  industrial  based researchers  who  find  microgravity  research  extremely  valuable  in  solving  ground  based problems. Microgravity research is proving to be beneficial to many different science areas such as materials, thermo physical properties, fluids, foams and emulsions science, thermal physics and heat transfer, cold atom technology, biotechnology, and combustion science [2].   For example, microgravity research is helping researchers find ways to improve the combustion process. On Earth, flames are driven by convection currents resulting  in a familiar rising flame as  found  in  a  candle or  camp  fire  (see  image 1 below).  In microgravity  convection does not occur  and  therefore  combustion  can  occur  only  as  quickly  as  oxygen  can  diffuse  in  and  the 

2  

combustion  products  disseminate  from  the  reaction  environment.  So,  combustion  in  a microgravity environment is much simpler than on Earth.  

  

Image 1: Candle on left driven by convection currents; right, combustion in microgravity  

As a result of improving the combustion process in automobile engines an increase of 1% in fuel efficiency  can  be  realized.  This would  be  analogous  to  changing  your  gas mileage  from  25 miles/gallon  to  25.25 miles/gallon.  That  doesn’t  sound  like much,  but  that  translates  into  a savings of about 100 million barrels of oil per year for America or about $5.5 million dollars per day [2]! Indeed, microgravity research can help solve land based problems.  How is a Microgravity Environment Created?  Microgravity conditions can be produced in many ways. One way is to travel away from Earth. As you may recall this  is what the Apollo astronauts did when they explored the moon. Even then their weight was not zero; it was one sixth of what it was on Earth (image 2).   

  

Image 2: Astronaut James B. Irwin, Apollo 15 lunar mission, August 1, 1971  

3  

Another way to achieve a microgravity environment is to orbit the Earth in a spacecraft such as the International Space Station (ISS). The astronauts experience a greatly reduced gravitational force as opposed to being on the Earth and can actually float around in the spacecraft as shown in image 3.  

  

Image 3: ISS astronauts experiencing microgravity conditions  

Flying on NASA’s “Vomit Comet” produces 15‐25 second intervals of weightlessness by flying a parabolic  path  as  illustrated  in  image  4.  The  plane  (image  5)  is  used  to  introduce  potential astronauts  to  the  feeling  of  weightlessness.  A  typical  flight  will  see  two  to  three  hours  of plunging arcs, giving astronauts about 30 or 40 chances to experience weightlessness when the airplane drops  to  a  lower  altitude.  Some  researchers also use  the  flights  as  a  chance  to  run experiments in weightlessness [3].  

 Image 4: The “Vomit Comet” dips and climbs through the air to simulate the feeling of 

weightlessness  

4  

  

Figure 5: The “Vomit Comet”  Sounding rockets (image 6) are also used to create microgravity conditions for several minutes; they  follow  prescribed parabolic  paths  achieving  an  acceleration  of  10‐5  g.  Sounding  rockets have  some  advantages  over  other  forms  of  space‐borne  experiments.  First,  they  are more simplistic;  there  are  fewer  interfaces  to  deal with  as well  less  complicated  launch  facilities. Second,  the  cost  is  much  more  reasonable  than  an  orbital  spacecraft.  Lastly,  payload development is quick since most payload can be developed from pre‐existing equipment [4].  

  

Image 6: Sounding Rocket Launch  

Drop  towers  are  also  prevalent  in  providing microgravity  environment  for  experiments.  The Zero Gravity Research Facility  (ZGRF) at NASA Glenn Research Center  (image 7)  in Cleveland, Ohio is the largest facility of its kind in the world. Microgravity can be only achieved on Earth by putting an object in a state of free fall. In the ZGRF objects free fall 132 m and are weightless for 5.18 seconds during the fall. The objects fall through a vacuum chamber which is at a pressure of .01 torr. Acceleration is reduced to less than 10‐5 g [5].  

  

5  

  

Image 7: Object being prepared for a drop at the Zero Gravity Research Facility  

The BRIC Drop Capsule Experiment  Introduction In the not so distant future the Baylor Research Innovation Collaborative (BRIC) site will have its very own 24 m drop tower predicted to be capable of producing a microgravity environment for about 2.2  seconds. With  that  inspiring  thought  in mind  the  researcher pondered  the  idea of microgravity research as an  interesting topic of study. As a matter of fact, the researcher was invited by Dr. Rene Laufer to work on a microgravity research project this summer. As with all research projects, much time was spent  learning more about microgravity as evidenced  in the first section of this paper.   Purpose The objective of this project is to determine how long a microgravity environment can exist in a drop capsule released from a height of 6 m. Calculations indicate that a 1 second microgravity environment should be possible.  Method The actual experimentation began with the student construction of a drop capsule [6] as shown in image 8. The structure is basically a cylindrical structure within a larger cylindrical structure. It is .6 m high and .4 m wide. The sides of the drop capsule were covered with saran wrap to cut down on drag forces. The  inner cylinder will experience free fall or microgravity conditions as the capsule is dropped from the second floor (a distance of about 6 m) of the BRIC.   

6  

An  iPhone with  an  accelerometer  app was  used  to  determine when microgravity  conditions occurred within the  inner drop capsule. The  first drop happened on  June 19, 2103  (image 9). Excel was  used  to  plot  the  data;  the  plot  is  found  in  the  results  section.  The  capsule was dropped (with some modifications) on four other occasions, July 8, July 11, July 16 and July 29.  

    

Image 8: Drop capsule used in the microgravity experiment  

  

Image 9: Capsule was dropped initially on June 19  

outer capsule inner capsule

iPhone case

7  

Since the free fall time for the first drop was only .4 seconds, some changes were made to the capsule before the next drop. A mirror was  installed  just below the video port of the  iPhone; the mirror was pointed toward the calibration grid taped to the outer capsule (see  images 10 &11). It was thought that the  inner capsule might be hitting the outer capsule. This apparatus showed, that as suspected, there was contact between the inner capsule and outer capsule. So, the  inner  capsule  was  shortened  to  about  one  third  of  its  original  length  to  resolve  the situation.  It was  also  noted  that  the  drop  capsule  seemed  to  be  falling with  a  slight  angle instead of falling straight. The cause of this problem seemed to be related to the cutting of the rope  that  held  the  capsule  in  position.  Enough  horizontal  force  was  being  applied  by  the scissors  to  cause  the  slight  tilt. Henceforth,  fishing  line was  substituted  for  the  rope  and  a lighter was used to melt the line. This provided a much better release mechanism.                    Image 10: iPhone with attached mirror                                   Image 11: calibration grid   The next launch event occurred on July 11. Five drops were made but only one drop produced usable data. The plot of that data is found in the results section.  Microgravity conditions were observed for only .6 seconds. Again modifications were made to the drop capsule. The flat top of the capsule may be causing drag forces. A dome top was added to reduce the drag force as the capsule moved through the air (image 12).   On July 16, the modified capsule was dropped 10 times. Drops 1, 2, 3, and 4 did not have the dome  top but had  the  shortened  inner  capsule. Drops 3, 4, 5, and 9 produced no data. The configuration of the capsule for drops 2, 6, 8, and 10 is given in chart 1. The domed capsule is shown  in  image 13.  In drops 8 and 10 the  inner capsule was attached to the top of the outer capsule.  Since  in  those  drops  the  inner  capsule  could  not  possibly  hit  the  side  of  the  outer capsule, a microgravity environment of more than .6 seconds should be observed.  

Drop Number  Configuration 

2  Inner capsule free  Flat upper end 

6  Inner capsule free  Dome upper end 

8  Inner capsule fixed  Flat upper end 

10  Inner capsule fixed  Dome upper end 

Chart 1: Drop Capsule Configuration 

8  

  Image 13: Modified capsule with domed top, fixed and shortened inner capsule, and extended 

calibration grid  

After the July 16 drop event, a closer look at the “outer skin” (saran wrap) was taken. The saran wrap is fairly flimsy, enough so that some turbulence may occur as the capsule encounters air resistance on  the way down. So, replacement of  the  flimsy saran wrap ensued. A heavy duty clear plastic shower curtain was cut to enclose the outer capsule. The dome was replaced with a  cone  (party  hat)  to  help  reduce  the  drag  force  as  shown  in  Image  14.  Perhaps  this  will enhance the attainment of a one second microgravity environment. 

 Image 14: Drop capsule with party hat 

 

9  

Results Graph 1 shows a plot of the data for the  initial drop of the capsule on 6/19. Notice that zero gravity conditions are present in the capsule from 93.2 s to 93.6 s.  

 Graph 1: Drop 1, June 19 

 Some modications were made  after  the  June  19  drop  to  try  and  increase  the  time  of microgravity conditions. Graph 2 shows that the time for microgravity conditions was extended to .6 seconds.  

 Graph 2: Drop 4, July 11 

 

Once  again  some modifications were made  to  try  and  increase  the  time of  the microgravity environment.  Several  graphs  are posted on  the next  3 pages  to  show  the  results of  various 

0

1

2

3

4

92 92.5 93 93.5 94 94.5 95 95.5

z‐axis acceleration (g)

time (s)

Drop 1‐ 6/19/13

Drop 4 ‐ 7/11/13 

10  

configurations of  the capsule. The microgravity environment was  increased  to  .7 seconds, an increase of 8%. Graph 4 shows .7 seconds of microgravity.  

 Graph 3: Drop 1, July 16 

   

 Graph 4: Drop 2, July 16 

 

‐2.5

‐2

‐1.5

‐1

‐0.5

0

0.5

1

1.5

62 63 64 65 66 67 68 69

Z axis acceleration (g)

Time (s)

Drop 1 ‐ 7/16/13

‐2.5

‐2

‐1.5

‐1

‐0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

62.5 63 63.5 64 64.5 65 65.5 66 66.5 67

Z axis  acceleration (g)

Time (s)

Drop 2: 7/16/3

11  

 Graph 5: Drop 6, July 16 

  

 Graph 6: Drop 8, July 16 

         

‐2.5

‐2

‐1.5

‐1

‐0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

88 89 90 91 92 93 94 95

Z axis acceleration (g)

Time (s)

Drop 8 ‐ 7/16/13

12  

 Graph 7: Drop 10, July 16 

 

 Graph 8: Drop 4, July 29 

Summary and Conclusion  The  initial drop of  the capsule yielded microgravity conditions  for  .4 seconds  (graph 1). After decreasing  the  length  of  the  inner  capsule  by  about  a  third  and  changing  the  release mechanism a microgravity environment of .6 seconds was observed (graph 2).   The flat top of the capsule was  thought  to be causing  turbulence  that would affect  the motion of  the  inner capsule. Hence the inner capsule was fixed to the outer capsule to prevent that condition from occurring in drop 8 (graph 6) and drop 10 (graph 7). Drop 6 (graph 5) and drop 10 (graph 7) had domed outer capsules. It is worthy to note that drop 6 achieved microgravity conditions for .7 

‐2.5

‐2

‐1.5

‐1

‐0.5

0

0.5

1

104 105 106 107 108 109 110 111

Z axis acceleration (g)

Time (s)

Drop 10 ‐ 7/16/13

‐2.5

‐2

‐1.5

‐1

‐0.5

0

0.5

1

1.5

69 70 71 72 73 74 75 76 77

Z axis acceleration (g)

Time (s)

Drop 4 ‐ 7/29/13

13  

seconds, and drop 2 (graph 4) with a flat end did as well. The party hat capsule (graph 8) did not significantly  improve the time of the microgravity environment. More trials definitely need to be conducted to reach a finite conclusion. With a little more time and a few more modifications and trials, the microgravity environment may be extended to 1 second.   Especially For Educators 

 Videos of the descent of the drop capsule are available for download at: https://app.box.com/s/6rajedp39q3mizn2ayyp. Teachers you might want to use these videos with your classes for motion analysis. Have the students find acceleration, velocity, distance and time of fall using video analysis software. Excel is a good program for data analysis and for creating graphs. The drop capsule data can be found online at: https://app.box.com/s/2br4lmsk08hchmn7sleh. NASA’s Microgravity Teacher’s Guide [7] is an excellent resource with activities for grades 4‐12. Another really nice resource is The Physics Classroom at http://www.physicsclassroom.com/Class/.  The site has extraordinary physics tutorials. 

 Useful equations   Newton's Law of Universal Gravitation: F = Gm1m2/r

2          D = ½ gt2  

  Resources  For more information about microgravity research, visit these websites: 

Microgravity Research Program Office http://microgravity.nasa.gov/    Microgravity Research Division Headquarters http://microgravity.hq.nasa.gov/   Microgravity Science Division at Glenn Research Center http://microgravity.grc.nasa.gov/  The National Center for Microgravity Research on Fluids and Combustion http://www.ncmr.org/   NASA Spacelink, Education Programs http://spacelink.nasa.gov/  

14  

Works Cited  [1] Serway, R.A., Vuille, C., and Faughn,  J. S.  (2009). The  laws of motion, College Physics,  (9th edition), (pp. 89‐91). Belmont, CA:  Brooks/Cole.  [2] ESA Impress Education (2013, July 14), Retrieved from http://www.spaceflight.esa.int/impress/text/education/Microgravity/Why%20Do_MicrogravityResearch.html  

 [3] Live Science, TechMedia Network (2013, July 15). What is the vomit comet, Retrieved from http://www.livescience.com/29182‐what‐is‐the‐vomit‐comet.html   [4] Microgravity.com (2013, July 15), Retrieved from http://www.microgravity.com/tutorial‐duration.html   [5] NASA Zero G Research Facility (2008, January 23), Retrieved from http://facilities.grc.nasa.gov/zerog/   [6] Boehm, K. J., (2013, June 2), Analysis, concept, design and operations of a two‐second high quality micro gravity drop tower facility, (pp. 36‐38).  [7] National Aeronautics and Space Administration, Microgravity, a teacher’s guide with activities, in science, mathematics, and technology, Retrieved from http://www.nasa.gov/pdf/62474main_Microgravity_Teachers_Guide.pdf