Verhalten von Ferrofluiden in Schwerelosigkeit Physik im Sturzflug Verhalten von Ferrofluiden in Schwerelosigkeit ESA Student Parabolic Flight Campaign 2005 Ulrike Endesfelder, Elisabeth Krause, Anne Angsmann, Sebastian Bürgel, Alice Verweyen

Team „Ferrofluids“ Im Uhrzeigersinn: Parabelflug Ferrofluide Experiment Bastelstunde Analyse schwerelos! Team „Ferrofluids“ Im Uhrzeigersinn: Anne Angsmann, Sebastian Bürgel, Elisabeth Krause, Ulrike Endesfelder und Alice Verweyen

European Space Agency ESA 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

Nachwuchsförderung der ESA 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

Student Parabolic Flight Campaign SPFC 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

Kontrollierter freier Fall 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

So nicht! 22 Sekunden Schwerelosigkeit im Flugzeug – Einschränkungen! Parabelflug Ferrofluide Experiment Bastelstunde Analyse schwerelos! So nicht! 22 Sekunden Schwerelosigkeit im Flugzeug – Einschränkungen! Evolutionsbiologie Beschleunigerexperimente Komplexe Kristalle Pyrotechnik

Von der Idee zum Experiment 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

Das Phänomen Ferrofluid 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

Ein bisschen Physik Ferrofluid in vertikalem Magnetfeld 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!

Anwendungen von Ferrofluiden Parabelflug Ferrofluide Experiment Bastelstunde Analyse schwerelos! Anwendungen von Ferrofluiden Dichtungen Medizintechnik Spiegel schleifen Dämpfer Spielzeug uvm

Magnetfelder Was machen wir während 60 Parabeln? 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

Ablauf der SPFC Ausschreibung des Wettbewerbs, November 04 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

Eine große Black Box? Parabelflug Ferrofluide Experiment Analyse Bastelstunde Analyse schwerelos! Eine große Black Box?

Ein Teelöffel Ferrofluid Parabelflug Ferrofluide Experiment Bastelstunde Analyse schwerelos! Ein Teelöffel Ferrofluid Ferrofluid und Alkohol in Glasgefäß Eingegossen in Kunstharz

15 kg Eisen Zwei Spulen erzeugen Felder Polschuhmagnet Beleuchtung Parabelflug Ferrofluide Experiment Bastelstunde Analyse schwerelos! 15 kg Eisen Zwei Spulen erzeugen Felder Polschuhmagnet Beleuchtung Achse mit Nachführsystem

Außen schwach, innen stark Parabelflug Ferrofluide Experiment Bastelstunde Analyse schwerelos! Außen schwach, innen stark Elektromagnet mit hochreinem Eisenmantel Symmetrisches Design sorgt für sehr homogenes Magnetfeld Weitere Abschirmung unnötig

Little Black Boxes Netzgerät für Spulenstrom Parabelflug Ferrofluide Experiment Bastelstunde Analyse schwerelos! Little Black Boxes Netzgerät für Spulenstrom Laptop zur Ansteuerung des Spulenstroms Notschalter Zwei Kameras Steuerungselektronik D/A-Wandler zwischen Laptop und Netzgerät

Und es dreht sich Während Parabel Rotation um Flügelachse (ca. 90°) 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

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

Das Ergebnis! Befestigung auf Aluminium-Bodenplatte 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!!!

Sicherheitsbestimmungen 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

Unser Experiment wird gesichert 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

Qualitative Analyse Auslenkung ab ~ 5 G (Bodentests: 60 G) 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

Datenreduktion I Aufgabe: 15 Stunden Film Physik (wenige Zahlen) 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)

Datenreduktion II Ellipsen an Form des Ferrofluids fitten: 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

Und Action! Parabelflug Ferrofluide Experiment Analyse schwerelos! Bastelstunde Analyse schwerelos! Und Action!

Apollo 13 Parabelflug Ferrofluide Experiment Analyse schwerelos! Bastelstunde Analyse schwerelos! Apollo 13

Weitere Informationen: www.esa.int/education www.ferrofluids.de.vu 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