ELEKTROMAGNETISCHE LEVITATION

• Grundlagen

• Mikrogravitation

• Die TEMPUS Anlage

• Die Experimentvorbereitung

• Das wissenschaftliche Programm

• Die Experimente

• Perspektiven

I. Egry

Institut für Raumsimulation

DLR Köln

ELEKTROMAGNETISCHE LEVITATION:

DIE GRÜNDE

ermöglicht

• tiegelfreie Bearbeitung von Metallschmelzen

bietet

• hohe Reinheit

∗ saubere Oberfläche

∗ Unterkühlung

• hohe Temperaturen

erfordert

• inhomogenes Hochfrequenzfeld ( ≈ 300 kHz )

• berührungsfreie Messverfahren

ELEKTROMAGNETISCHE LEVITATION:

DAS PRINZIP

Positionieren: 2

0

)( (()2

)LBF r V qr G

µ∇

= , 0 0( )LF r mg= − Tragkraft:

Rückstellkraft: 0 0( ) ( )Lr r F r− ⋅ ∇ < 0

Heizen: 2

02BP Vωµ

= ( )qQ

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Force Power

G(q

), Q

(q)

q

ELEKTROMAGNETISCHE LEVITATION:

DIE REALISIERUNG

ELEKTROMAGNETISCHE LEVITATION

& MIKROGRAVITATION

1-g Levitation: Heizung durch Positionierfeld unvermeidlich ⇒ Einspulensystem

Fg

FL

µ-g Levitation: Heizung durch Positionierfeld vernachlässigbar ⇒ Zweispulensystem ⇒ Heizung und Positionierung entkoppelt

Positionierspule

Heizspule

ELEKTROMAGNETISCHE LEVITATION &

MIKROGRAVITATION: DIE VORTEILE

• Weiter Temperaturbereich

(600 - 2400 °C)

• Betrieb unter UHV

(Strahlungskühlung ausreichend)

• keine Probendeformation

(geringer magnetischer Druck)

• große Proben

(∅ 6-8 mm)

• keine Rühreffekte

(laminare Strömung)

DIE TEMPUS-ANLAGE

Tiegelfreies Elektro-Magnetisches Prozessieren Unter Schwerelosigkeit

4 Modelle:

- TEMPUS-Airbus operationell - TEMPUS- Spacelab 1994, 1997 - TEXUS-EML 2005-2006 - MSL-EML 2008 auf ISS

Spulensystem:

∗ Positionierkreis: Quadrupolfeld, 150 kHz, 850 W

∗ Heizkreis: Dipolfeld, 350 kHz, 1080 W

DIE TEMPUS-ANLAGE (2)

• Pyrometer 1 Si, 2 InAs, 100 Hz & 1 MHz, 300-2400°C

• Videokameras 2 Hochgeschwindigkeitskameras 60-480 Hz, s/w für axiale und radiale Beobachtung, 1 hochauflösende Kamera s/w für radiale Beobachtung

• Proben

18 Proben (∅ 6-8mm) in Käfig oder Becher

• Bedampfungsschutz 22 Doppelspiegel oder CaF2-Fenster

• Prozesssteuerung

∗ über Parametersatz ∗ interaktiv vom Boden (Telescience) ∗ interaktiv von Astronauten

EXPERIMENTVORBEREITUNG

• Proben

∗ Herstellung

Zusammensetzung, Formgebung

∗ Charakterisierung

Emissivität, Abdampfrate, ...

• Mission

∗ Temperatur-Zeit-Profile

∗ Parameterdefinition

(≈ 1000 pro Experiment)

∗ Ressourcenanforderung

Kontamination, Energie, Video, Crew,...

⇒ "Functional Objective Sheet"

∗ Crew-Training

∗ Experimentreihenfolge

Priorität, Kompatibilität, ...

⇒ "Timeline"

TEMPUS-EXPERIMENTE (MSL-1)

• Unterkühlung und Keimbildung

∗ maximale Unterkühlung ∗ Keimbildungsstatistik ∗ Erstarrungsgeschwindigkeit ∗ metastabile Phasen

• Thermophysikalische Eigenschaften

∗ thermische Ausdehnung ∗ spezifische Wärme ∗ elektrischer Widerstand ∗ Oberflächenspannung ∗ Viskosität

UNTERKÜHLUNG UND KEIMBILDUNG

Gibssche Freie Energie:

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

∆T

∆G

Temperature, T/Tm

Free

Ene

rgie

s G

l, Gs

Gl Gs

∆G ∝ ∆T

Keimbildungsbarriere durch Grenzflächenenergie:

critical radius

droplet radius

drop

let e

nerg

y

surface energy bulk energy total energy

3

*2

163

GG

π σ∆ =

∆

UNTERKÜHLUNG VON Zr

• Ziel:

Statistische Analyse der Keimbildung (Skripov)

*

( ) 1 exp expm

T

vT

V GF T KT kT

dT⎡ ⎤⎛ ⎞∆

= − − −⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎣ ⎦

∫

Kv ∝ Zahl der Keime, ∆G* ∝ Keimbildungsschwelle

• Experiment:

122 Zyklen, Tm=1858°C, TN=1525 ± 2°C, ∆T=333°C

ERSTARRUNGSGESCHWINDIGKEIT VON Ni • Ziel:

Diffusionskontrollierte Erstarrungsgeschwindigkeit V

als Funktion der Unterkühlung ∆T

2

2hypVRT T Iv VR kons

a⎛ ⎞∆ = ∆ =⎜ ⎟⎝ ⎠

t

a : thermische (Ni) oder chemische (Ni-C) Diffusivität

• Methode:

räumlich & zeitlich gezielte Auslösung der Keimbildung

("Triggern")

optische Verfolgung der Erstarrungsfront

• Experiment:

0.1

1

10

100

0 50 100 150 200 250 300

Ni-0.6 C (trig. nucl.)Ni-0.6 C (spont. nucl.) Ni (spont. nucl.) LKT Ni-0.6 CLKT Ni

v [m/s]

T [K]

ELEKTRISCHER WIDERSTAND VON Zr

• Ziel:

Messung des elektrischen Widerstandes σ als

Funktion der Temperatur

• Methode: Impedanzmessung

0

0 0

2 12

IR A BUσω µ

⎛ ⎞= − −⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠

• Experiment:

1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000

1.20x10-4

1.25x10-4

1.30x10-4

1.35x10-4

1.40x10-4

1.45x10-4

1.50x10-4

Tl

el. resistivity of Zr (from TEMPUS MSL-1, FO2)

ρtabulated ρsol, calibrated ρliq

ρ (Ω

cm

)

T [°C]

SPEZIFISCHE WÄRME VON ZrNiCuAlNb

• Ziel:

Bestimmung der spezifischen Wärme als Funktion

der Unterkühlung in metallischen Glasbildnern

• Methode: Modulationskalorimetrie in UHV

Pin = f P0 + Pω cos(ωt) = Prad = 4πR2εσT4

∆Tω = f Pω/ω cp1+(ωτ1)-2 + (ωτ2)2-1/2

• Experiment:

30 Zyklen, Tm=817°C, ∆Tmax=155°C

900

925

950

975

1000

0 31 61 91 121 151Time [s]

Tem

pera

ture

[°C

]

0

1000

2000

3000

4000

5000

Hea

ter [

mV]

OBERFLÄCHENSPANNUNG VON AUCU

• Ziel: Messung der Oberflächenspannung • Methode: „0scillating drop technique“

δR(θ,φ,t) ∝ Y(θ,φ) cos(ωt) exp(-Γ t)

32 2π γ

•

0.50 0.75 1.00 1.25 1.50

1-g spectrum

3ω

m R=

µ-g spectrum

Ampl

itude

[a.u

.]

Normalized oscillation frequency [ω/ωR] Ergebnis: Bestätigung der Cummings-Korrektur

1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 20000.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3 Au56Cu44

Tl

1g-results uncorrected 1g-results corrected µg-results from IML-2 ideal solution model

Surf

ace

Tens

ion

[N/m

]

Temperature [K]

VISKOSITÄT VON PdCuSi

• Ziel: Bestimmung der Viskosität

• Methode: "Oscillating drop technique":

δR(θ,φ,t) ∝ Y(θ,φ) cos(ωt) exp(-Γ t)

0 1 2 3 4 5 6 7 8-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

R = R0 cos(ωt) e-Γt

radi

us c

hang

e (%

)

time (s)

203

Rm

π ηΓ =

• Experiment:

16 Zyklen, 50 Pulse, Tm=870°C, ∆T=85°C

1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 14500

10

20

30

40

50

60

70

80

Pd76Cu6Si18 Vogel-Fulcher fit Arrhenius fit STS-83 data STS-94 data data of Lee et al.

Visc

osity

, mPa

∗s

Temperature, K

PERSPEKTIVEN

MSL-EML auf ISS-COLUMBUS

Anlage im Bau

Illumination

RadialPyrometer

and/orCamera

Sample Exchange andTransfer

9 Sampleswith Launch

Lock

DC Ma

Axial Pyrometerand/or

Camera

R.F

.C

apac

itors

VacuumValve

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