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Weltraum

Ionisierungsvorgänge durch Einschläge im Hyperschall

Ein Themengebiet der Weltraumforschung sind kleine Partikel, die im Planetensystem auftreten (planetarischer Staub) sowie kleine Partikel, die mit hohen Geschwindigkeiten durch den Weltraum fliegen (interstellarer Staub). Diese kann man durch in-situ Untersuchungen erfassen, insofern ihre Geschwindigkeit nicht mehr als mehrere 100 m/s beträgt. Ab einer Geschwindigkeit von mehreren Kilometern pro Sekunde kann man durch einen Aufschlag freigesetzte Ionen für ihre Charakterisierung nutzen. Diese Methode setzt jedoch ein Verständnis der Stoßwellen- und schnellen Expansionsprozesse voraus, die zur Verdampfung und teilweisen Ionisierung des Staubpartikels führen.
Die aktuellen Untersuchungen am Institut für Strömungsmechanik und Aerodynamik zielen auf die Rolle des Zielmaterials und insbesondere seine Struktur ab. Es werden stark poröse Oberflächenschichten im Nano-Bereich aus verschiedenen Metallen (Ag, Au) untersucht, die in den Laboren des Institutes hergestellt werden („metal blacks“). Die Schichten werden im Van de Graaff Beschleuniger des Max-Planck-Insitutes für Kernphysik in Heidelberg mit kleinen Staubpartikeln beschossen, die Geschwindigkeiten von bis zu 45 km/s aufweisen. Die beim Aufprall auftretenden Ionen werden mit Hilfe der Flugzeitmassenspektrometrie gemessen. Der einschlagende Staub besteht hierbei aus reinen Eisenpartikeln.
Durch den Vergleich von im Nanobereich strukturierten Oberflächen, kompakten Oberflächen und der theoretischen Modellierung ist es möglich gewesen, wichtige Rückschlüsse über die Natur des Ionisierungsprozesses zu ziehen.
Zurzeit wird diese Methode auf organische Staubpartikel ausgeweitet, um Erkenntnisse über die chemischen Reaktionen im sich schnell ausbreitenden Plasma Plume des Einschlags zu gewinnen. Die resultierenden Massenspektren werden für die Auswertung der Daten von Interesse sein, die während eines Vorbeifluges am Kometen Tempel 1 im Jahr 2011 durch ein CIDA Impact Massenspektrometer an Bord der S/C STARDUST der NASA gesammelt werden sollen.



Partner: MPI für Kernphysik Heidelberg, IHED (Institute for High Energy Density)
Moskau.
 
 

Bearbeiterin: Dipl.-Ing. Eva-Maria Mellado-Ramirez
 

 

 

 

Nanostrukturen zum Erfassen von Kometenstaub bei kleinen Geschwindigkeiten

Im Rahmen der ROSETTA Mission der ESA müssen Kometenstaubpartikel eingefangen werden, die sich mit mehreren 100 m/s relativ zum Raumschiff bewegen, ohne diese zu zerstören. Zu diesem Zwecke sind Aufprallstrukturen im Nanobereich aus Gold und Silber entwickelt worden, die eine Dicke von bis zu mehreren 10 Mikrometern besitzen („metal blacks“). Die Methode ihrer Herstellung basiert auf der Kondensierung von Gold- und Silberatomkernen ausgehend von der Dampfphase in einer Edelgas Atmosphäre bei Siedepunkt-Sättigungsdämpfen von 0.1 bis 0.3 mbar in einer laminaren Konvektions-strömung.
Durch den Einsatz eines gasdynamischen Staubbeschleunigers konnte die Sammeleffizienz dieser Schichten bestätigt werden. Empirische kinetische Modelle für die Verzögerung der Partikel, die hauptsächlich auf Adhäsionskräften basieren, sind ebenfalls durch die Messdaten bestätigt worden. Die Staubsammelfolien sind in das COSIMA Experiment (ROSETTA) eingebaut worden, welches Kometenstaub mit einer SIMS Technik messen soll während eines Kometenzusammenstoßes im Jahre 2015. Derzeit wird am Institut für Strömungsmechanik und Aerodynamik an Kalibriermessungen gearbeitet in einem Labor, das dem COSIMA Experiment nachempfunden ist.
 
 

Partner: MPI für Sonnensystemforschung, Lindau/Harz.
 
 

Bearbeiter: Prof. K. Hornung, Dr. Oleg Kulikov

 
 

 

Laserdesorption bei kleinen Leistungsdichten

Laserdesorption ist eine bekannte Technik, um Ionen zu erschaffen, die mit der Massenspektrometrie analysiert werden können. Bei hohen Leistungsdichten wird eine kleine und schnell expandierende Wolke an gasförmigen und teilweise ionisierten Produkten generiert. Aufgrund der kleinen involvierten Zeitskalen (Nanosekunden) ist es fragwürdig, ob thermodynamische Gleichgewichtszustände vorherrschen. Insbesondere bei komplizierten Molekülen können beträchtliche thermodynamische Prozesse während der Ionenbildung ablaufen.
Das Institut für Strömungsmechanik und Aerodynamik arbeitet an einer Ionen-Aufnahmetechnik, die sehr kleine Pulsenergien im UV und hohe Wiederholungsraten (bis zu 500 Hz) nutzt, um so die organischen Komponenten unter dem Einfluss geringerer thermodynamischer Prozesse zu detektieren als es bei der Betrachtung mit hoher Leistung möglich ist. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind für die Entwicklung eines neuen Staubanalysators relevant, welcher 2009 für eine zukünftige Kometenmission der NASA vorgeschlagen werden soll.


Partner: Max-Planck Institut für Sonnensystemforschung Lindau, Centre National de Recherches Scientifiques Orleans, Laserzentrum Hannover.

 


Bearbeiter: Prof. K. Hornung, Dipl.-Ing. E. Mellado-Ramirez
 

 

 

 

Ein Code für die Einschlag-Fragestellung unter Erhaltung der Entropie

Bei der numerischen Simulation von Strömungen mit starken Entropiegradienten normal zu den Stromlinien (aufgrund von starken schiefen Stoßwellen im Strömungsfeld) können die existierenden Methoden versagen, da sie nicht die Erhaltung der Entropie gewährleisten. Im Referenzfenster des bewegten Strömungselement (Lagrange Fenster) zeigt die Simulation manchmal große zusätzliche Entropieänderungen an Stellen, wo gemäß den theoretischen Erwartungen eine isentrope Strömung vorliegen sollte. Es ist zu diskutieren, ob an diesen Stellen eine starke numerische Dissipation vorherrscht. Der einzige Weg herauszufinden, ob dies so ist oder ob unerwartet zusätzliche physikalisch echte Stoßwellen auftreten, ist die Berechnungsmethodik zu wechseln und zu beobachten, ob die aufgetretenen Effekte sich verändern oder verschwinden. Bei der Fragestellung des Einschlags treten derartige Probleme bei sehr hohen Einschlaggeschwindigkeiten auf. Insbesondere der Übergang von der flüssigen in die gasförmige Phase verursacht hier beträchtliche numerische Probleme, da die Dichte sich von einer Netzzelle zur nächsten um fünf Größenordnungen ändern kann.
Die Untersuchungen am Institut für Strömungsmechanik und Aerodynamik haben gezeigt, dass ein Godunov Verfahren 2. Ordnung solche Fälle gut behandeln kann, vorausgesetzt, dass die Grenzen zwischen flüssiger und gasförmiger Phase als Langrange-Oberflächen aufgefasst werden und das Netz an diese Oberflächen angepasst ist. Das Godunov Schema scheint auf dieses Problem speziell abgestimmt zu sein, da sein grundlegendes Prinzip das Riemann Problem (d. h. Stoß- und Verdünnungswellen) ist, welches große Zustandsänderungen zwischen den einzelnen Zellen erlaubt. Bislang sind sehr hohe Einschlaggeschwindigkeiten (80 km/s) untersucht worden, was für das Detektieren von sich sehr schnell bewegenden kosmischen Staubpartikeln von Bedeutung ist. Weiterhin könnten die Ergebnisse auch von allgemeiner Relevanz für alle gasdynamischen Strömungen mit sehr großen Änderungen der inneren Energie sein. Codes, die bei derartigen Strömungen angewandt werden, sollten sorgsam auf ihre Entropieerhaltung hin geprüft werden mit der Hilfe von Lagrange Partikeln.

 


Partner: IPM (Institute for Problems in Mechanics) Moskau, IHED (Institute for High Energy Density) Moskau.

 


Bearbeiter: Dr. Yourij Malama, Dr. Chaime Kestenmboim IPM Moskau,
Prof. K. Hornung UniBw München.