Glühende Partikel im durch einen Lichtbogen beheizten Windkanal | Copyright: DLRKöln/ Deutschland - In Vorbereitung auf die derzeit für 2018 geplanten europäische-US-amerikanische Rovermission zum Roten Planeten "ExoMars", haben Forscher am gestrigen Donnerstag ein internationales Projekt zur Simulation des Eintritts von Raumfahrzeugen in die Marsatmosphäre.
Das Projektteam besteht aus deutschen, russischen und italienischen Wissenschaftlern und wird von der Abteilung Überschall- und Hyperschalltechnologie des Instituts für Aerodynamik und Strömungstechnik des "Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt" (DLR.de) koordiniert. Dabei bilden die Wissenschaftler im experimentellen Windkanal in Köln unter anderem die Marsatmosphäre nach.
Trotz zahlreicher erfolgreicher Marsmissionen in den vergangenen Jahren und deren gesammelten umfangreichen Daten, sind weiterhin viele Fragen zur Beschaffenheit, Entstehung und Entwicklung unseres Nachbarplaneten noch offen. Antworten suchen die Mars-Forscher aber nicht nur auf der Oberfläche des Mars zu finden, sondern auch in dessen Atmosphäre, die es für eine Landung zunächst zu durchqueren gilt. Genau hier beginnt dann auch die Arbeit der Forschergruppe unter Leitung von DLR-Wissenschaftler Dr. Ali Gülhan.
"Ähnlich wie bei dem Wiedereintritt von Raumfahrzeugen in die Erdatmosphäre muss ein Raumfahrzeug beim Eintritt in die Marsatmosphäre enormen Temperaturbelastungen standhalten. Aus diesem Grund sind sowohl Landekapseln als auch Spaceshuttles durch eine Hitze absorbierende Schicht geschützt. Diese kann unter anderem aus organischem Material - das während des Eintritts verbrennt - oder auch keramischen Strukturen bestehen." Das berichtet die Pressemitteilung des DLR.
Computersimulation des Strömungsverhaltens der heißen Gase beim Eintritt in die Atmosphäre | Copyright: DLRVergangene Missionen zum Roten Planeten hatten nur begrenzte Informationen über die Zusammensetzung der Atmosphäre des Planeten geliefert, wenn beispielsweise präzise Vorhersagen der zu erwartenden Temperaturen beim Eintritt in die Marsatmosphäre nur teilweise möglich waren. Aus diesem Grund wurde zur Sicherheit der Instrumente der Hitzeschutz mit großen Toleranzen und meist überdimensioniert konzipiert, was sich wiederum negativ auf die mögliche wissenschaftliche Nutzlast der Raumfahrzeuge ausgeübt hatte. Die neuen Untersuchungen sollen dazu beitragen, dies verbessern.
"Eine genaue Vorhersage der Verteilung des Hitzeflusses auf der Oberfläche der Raumkapsel, die mit Hyperschall in die Atmosphäre eintritt, ist für eine grundlegende Verbesserung der Eintrittstechnologie unerlässlich", erläutert das DLR. "Zur Modellierung der Hochtemperaturströmung werden vielfach Computersimulationen eingesetzt. Dafür wird auch das vom DLR entwickelte TAU-Rechenverfahren genutzt. Die Daten für diese Computermodelle stammen aus Windkanalversuchen, bei denen die wesentlichen physikalischen Eigenschaften des Mars nachgebildet werden. In der Marsatmosphäre befinden sich beispielsweise im Vergleich zur Erdatmosphäre mehr Partikel, die die Erosion des Hitzeschutzes deutlich verstärken."
In Köln steht den Wissenschaftlern für diese Analysen ein von einem Lichtbogen beheizter Windkanal zur Verfügung, in dem Modelle den realen Hitzelasten ausgesetzt werden können. Diese Anlage erlaubt das Strömungsfeld des Marseintritts mit Staubpartikeln nachzubilden und so das Verhalten des Hitzeschutzmaterials mit Hilfe optischer und konventioneller Messtechniken zu untersuchen. "Während die Frontseite der Raumkapsel höheren thermischen Lasten ausgesetzt ist, bestimmt die relativ kühle und dünne Strömung auf der Rückseite die dynamische Flugstabilität des Fahrzeuges. Zusätzlich werden beim DLR in Göttingen Experimente zur Bestimmung des Einflusses der Gaszusammensetzung auf den Wärmefluss durchgeführt."
Die durch numerische Simulation und im Windkanal gewonnenen Daten fließen in die Entwicklung von neuartigen Hitzeschutzkonzepten sowie Materialien ein und haben Einfluss auf das aerodynamische Design der Raumfahrzeuge.
Neben der Strömungs- und Materialforschung beschäftigt sich das interdisziplinäre Forschungsprojekt "SACOMAR" (Safe and Controlled Martian Entry) auch mit dem Problem des sogenannten Blackouts, also dem Abriss der Funkverbindung während der Eintrittsphase. "Das Projekt bietet uns die Chance, durch die Kooperation von Wissenschaftlern verschiedener Fachgebiete technologische Grundlagen des Marseintritts im Detail zu untersuchen. Die Forschungsergebnisse können einen Beitrag zum ExoMars-Projekt der ESA leisten", so Projektleiter Dr. Ali Gülhan zu dem Potential von SACOMAR.
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Quellen: dlr.de / grenzwissenschaft-aktuell.de
