Physik im Sturzflug Verhalten von Ferrofluiden in Schwerelosigkeit ESA Student Parabolic Flight Campaign 2005 Ulrike Endesfelder, Elisabeth Krause, Anne Angsmann, Sebastian Bürgel, Alice Verweyen Ferrofluide.
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Physik im Sturzflug Verhalten von Ferrofluiden in Schwerelosigkeit ESA Student Parabolic Flight Campaign 2005 Ulrike Endesfelder, Elisabeth Krause, Anne Angsmann, Sebastian Bürgel, Alice Verweyen Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007 Parabelflug Team „Ferrofluids“ Ferrofluide Im Uhrzeigersinn: Experiment Anne Angsmann, Sebastian Bürgel, Elisabeth Krause, Ulrike Endesfelder Bastelstunde Analyse schwerelos! und Alice Verweyen Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007 Parabelflug European Space Agency ESA Ferrofluide 1975 gegründet, Hauptsitz Paris Experiment Bastelstunde Analyse schwerelos! 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 Nachwuchsförderung der ESA Ferrofluide Science on Stage: www.science-on-stage.de Experiment Bastelstunde Analyse schwerelos! 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 Student Parabolic Flight Campaign SPFC Ferrofluide Jährlicher Studentenwettbewerb Experiment Bastelstunde Analyse schwerelos! 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 Kontrollierter freier Fall Parabelflug Ferrofluide Experiment Bastelstunde Analyse schwerelos! 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 Von der Idee zum Experiment Exponat im Deutschen Museum Bonn Experiment Bastelstunde Analyse schwerelos! 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 Ein bisschen Physik Ferrofluide Ferrofluid in vertikalem Magnetfeld Experiment Bastelstunde Analyse schwerelos! in starkem Magnetfeld wird Oberfläche instabil aus Störungstheorie: /g Bcr2 g Einfluss von , umfangreich überprüft; wir wollen kein g! Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007 Parabelflug Anwendungen von Ferrofluiden Ferrofluide Dichtungen Experiment Bastelstunde Analyse schwerelos! Medizintechnik Spiegel schleifen Dämpfer Spielzeug uvm Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007 Magnetfelder Parabelflug Ferrofluide Was machen wir während 60 Parabeln? Experiment 22s 0g, |B|<2500 G (Stromverbrauch), |B|<1000 G (Wärme) Bastelstunde Flug 1: Überblick über Parameterbereich verschaffen, vers. Analyse Feldstärken, Zeitabhängigkeit schwerelos! 20 100 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 10 B [Gau§] B [Gau§] Flug 2: Weitere Messungen im Bereich Bcr < |B| < Bsat 0 -10 -20 -30 0 4 12 t [sec] 20 -40 0 5 7 9 11 t [sec] 15 17 19 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 Ein Teelöffel Ferrofluid Ferrofluide Ferrofluid und Alkohol in Glasgefäß Experiment Eingegossen in Kunstharz Bastelstunde Analyse schwerelos! Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007 Parabelflug 15 kg Eisen Ferrofluide Zwei Spulen erzeugen Felder Experiment Polschuhmagnet Bastelstunde Analyse schwerelos! Beleuchtung Achse mit Nachführsystem Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007 Parabelflug Ferrofluide Experiment Bastelstunde Analyse schwerelos! Außen schwach, innen stark Elektromagnet mit hochreinem Eisenmantel Symmetrisches Design sorgt für sehr homogenes Magnetfeld Weitere Abschirmung unnötig Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007 Parabelflug Little Black Boxes Ferrofluide Netzgerät für Spulenstrom Experiment Bastelstunde Laptop zur Ansteuerung des Spulenstroms Analyse schwerelos! Notschalter Zwei Kameras Steuerungselektronik D/A-Wandler zwischen Laptop und Netzgerät Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007 Parabelflug Und es dreht sich Ferrofluide Während Parabel Rotation um Flügelachse (ca. 90°) Experiment Alle anderen Schwankungen fluktuieren, nur Rotation um feste Achse Bastelstunde Analyse schwerelos! 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 Das Ergebnis! Ferrofluide Befestigung auf Aluminium-Bodenplatte Experiment Abdeckung durch Käfig aus Profilen Bastelstunde Analyse schwerelos! ... 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 Unser Experiment wird gesichert Ferrofluide Glasgefäß mit Ferrofluid in Kunstharz eingegossen (doppelwandig) Experiment Kunstharz optimal für Bildqualität, keine Verzerrung durch Brechung Bastelstunde Analyse schwerelos! 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 Qualitative Analyse Parabelflug Ferrofluide 20 Experiment Analyse schwerelos! 0 B [Gau§] Bastelstunde B [Gau§] 10 -10 -20 -30 -40 0 5 7 9 11 15 17 100 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 19 0 t [sec] 4 12 20 t [sec] 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 Ferrofluide werden schwerelos - ein Studentenprojekt! 15/03/2007 Parabelflug Ferrofluide Experiment Bastelstunde Datenreduktion I Aufgabe: 15 Stunden Film Physik (wenige Zahlen) Projektionen synchronisieren, in Einzelbilder umwandeln Analyse schwerelos! 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 Datenreduktion II Ellipsen an Form des Ferrofluids fitten: Bastelstunde Analyse schwerelos! 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