Direkt zum Inhalt

News: Es schwebt...

Ein neues Laborwerkzeug kann zwar nicht der Schwerkraft trotzen, doch es kann sie in Schach halten: Wissenschaftler sind so in der Lage, Werkstoffexperimente durchzuführen, die nicht realisierbar wären, wenn die entsprechende Probe mit der Wand ihres Behälters in Berührung käme.
"Für mich ist das die nächste Generation der behälterlosen Untersuchung", sagte Mike Robinson über den Electrostatic Levitator (ESL), der kürzlich im Marshall Space Flight Center der NASA installiert wurde. Der ESL verwendet statische Elektrizität, um ein Objekt in einer Vakuumkammer in der Schwebe zu halten. Derweil erhitzt ein Laser die Probe, bis sie schmilzt, so daß die Wissenschaftler eine breite Palette physikalischer Eigenschaften aufzeichnen können, ohne daß ein Kontakt mit dem Behälter zustande kommt.

Zur Herstellung verbesserter Legierungen und anderer Verbindungen müssen physikalische Eigenschaften wie Oberflächenspannung, Viskosität ,Wärmekapazität, Unterkühlung und Kristallisationskeimbildung untersucht werden. Die exakte Messung dieser Größen ist schwierig, denn jedes Hilfsmittel zum Transport oder zur Unterbringung einer geschmolzenen Probe kann die Ergebnisse verändern: Vibrationen werden abgedämpft oder die Probe wird schnell abgekühlt. Manchmal ist die Probe auch so reaktiv, daß sie ihren Behälter beschädigt.

Diese Probleme können dadurch gelöst werden, daß keine taktile Einwirkung stattfindet: Eine kleine Probe wird durch statische Elektrizität zum Schweben gebracht. Dies ermöglicht der ESL, der von Loral Space Systems in Palo Alto, California, entwickelt und kürzlich dem Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, gespendet wurde.

Robinson erklärt :"Es handelt sich um eine sehr ruhige, kontrollierbare Umgebung mit völlig unabhängigen Systemen für Erhitzung und Positionierung". Beim ESL laden zwei große, waagerechte Elektrodenplatten die Probe elektrisch auf und stoßen sie ab, bis sie zwischen den beiden Platten eine Balance erreicht. Zwei kleinere Elektrodenpaare positionieren die Probe horizontal. Eine Deuterium-Bogenlampe von hoher Leuchtkraft bestrahlt sie, um die elektrische Ladung zu ersetzen, welche die heiße Probe verliert, wenn sie Elektronen ausstrahlt.

Um die Probe im Zentrum zu halten, kontrolliert ein ausgefeiltes dreidimensionales, digitales Rückkopplungssystem die elektronischen Ladungen. Die beiden Laser (die rechtwinklig zueinander stehen und mit unterschiedlichen Wellenlängen arbeiten) durchleuchten die Vakuumkammer, um Schatten auf außen angebrachte Positionssensoren zu werfen. Der ESL-Computer wiederum verwendet diese Positionen, um kleinste Veränderungen der Elektrodenladungen zu berechnen. So kann die Probe erneut in eine zentrale Lage gebracht und der Laser zum Erhitzen ausgerichtet werden. Die Leistung der elektrostatischen Geräte ist jedoch begrenzt: Der Durchmesser der Proben darf nicht mehr als 3 mm betragen.

Die meisten Experimente erfordern geschmolzene Unterrichtsmaterialien, so daß die Wissenschaftler Viskosität, Oberflächenspannung, Volumen und Unterkühlung aufzeichnen können. Ein 50-Watt-Laser, der von 0 bis 100 % regelbar ist und eine Fläche von 0,5 mm bis 10 mm beleuchten kann, erhitzt die Proben oder kontrolliert die Kühlung. Dazu führt er etwas weniger Energie zu als die Probe abstrahlt. Experimente können ebenso ohne Erhitzung durch den Laser ausgeführt werden.

Um Messungen ohne taktile Einwirkungen zu ermöglichen, nutzt der ESL verschiedene Sensoren, die durch Beobachtungsöffnungen in den Wänden in die Vakuumkammer sehen können. Eine CCD-Videokamera hinter einem Fernmikroskop gestattet eine vergrößerte Ansicht der Probe, die von einer herkömmlichen Lampe bestrahlt wird, bis sie glühend heiß ist. Die Bilder können auf Video aufgezeichnet und zur Analyse digitalisiert werden. Ein Pyrometer, das durch einen Infrarotfilter sieht, mißt die von der Probe ausgestrahlte Hitze. Die von den Positionssensoren gesammelten Bilder können auch in wissenschaftlichen Analysen verwandt werden. Ebenso können Wissenschaftler bei Verwendung des ESL ihre eigenen Instrumente nutzen.

Lesermeinung

Beitrag schreiben

Wir freuen uns über Ihre Beiträge zu unseren Artikeln und wünschen Ihnen viel Spaß beim Gedankenaustausch auf unseren Seiten! Bitte beachten Sie dabei unsere Kommentarrichtlinien.

Tragen Sie bitte nur Relevantes zum Thema des jeweiligen Artikels vor, und wahren Sie einen respektvollen Umgangston. Die Redaktion behält sich vor, Leserzuschriften nicht zu veröffentlichen und Ihre Kommentare redaktionell zu bearbeiten. Die Leserzuschriften können daher leider nicht immer sofort veröffentlicht werden. Bitte geben Sie einen Namen an und Ihren Zuschriften stets eine aussagekräftige Überschrift, damit bei Onlinediskussionen andere Teilnehmer sich leichter auf Ihre Beiträge beziehen können. Ausgewählte Lesermeinungen können ohne separate Rücksprache auch in unseren gedruckten und digitalen Magazinen veröffentlicht werden. Vielen Dank!

Partnervideos