Vrije val voor waterstof

Vloeibaar waterstof wordt in de ruimtevaart gebruikt als brandstof. Wetenschappers van de Universität Bremen voeren in de valtoren experimenten met gewichtloosheid uit om meer te weten te komen over het gas.

Het omgaan met deze brandstof is riskant. Waterstof kan aan de lucht een explosiegevaarlijk mengsel vormen en moet tot een temperatuur van minimaal -235°C worden afgekoeld. Bovendien stellen de thermodynamische en fluïd-dynamische eigenschappen de wetenschappers voor uitdagingen..

Om de serie experimenten aan het Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) van de universiteit te kunnen starten, waren strenge veiligheidsmaatregelen en een lange voorbereiding noodzakelijk.

Experimenten

Eerst is de proefopstelling getest met andere cryogene vloeistoffen zoals argon, methaan en neon. Bij alle toegepaste materialen moest worden gelet op de verdraagzaamheid met de vloeistoffen. Er werden speciale temperatuursensoren gebruikt om de zeer lage temperaturen nauwkeurig te meten.

Maar ook het omgaan met vloeibaar helium als koelmedium (-269°C) stelde het team voor uitdagingen. Dit gas is buitengewoon vluchtig en brengt bij contact het risico van koudeverbrandingen met zich mee. Dit risico is ook de reden waarom de valtoren een geschikt microgravitatielaboratorium is.

De proefopstelling is afgestemd op de feitelijke situatie en eisen in de ruimtevaart. In de valtoren wordt een cilindrisch vat gebruikt, dat voor een deel met vloeibaar waterstof is gevuld en een brandstoftank moet simuleren. De zich daarboven bevindende gasatmosfeer bestaat eveneens uit waterstof.

Vóór de start van het experiment wordt de wand van het vat oververhit, want ook de wanden van rakettanks zijn door instraling van de zon en restwarmte van de voortstuwing warmer dan de vloeibare brandstof. De oververhitting beïnvloedt behalve de vloeistofbewegingen ook de drukontwikkeling in het systeem.

4,7 s vrije val

Bij de zwaartekracht op aarde gedraagt het vloeibare waterstof zich als water in een gedeeltelijk gevuld glas. Een vloeistofoppervlak scheidt het vloeibare van het gasvormige waterstof. Het vloeistofoppervlak is overwegend vlak, maar aan de wand komt de vloeistof op grond van de capillaire werking enkele mm omhoog.

In de gewichtloosheid van 4,7 s trekt het vloeistofoppervlak ver naar boven, totdat ze volledig is gekromd. De overgang tussen deze beide configuraties gaat gepaard met klotsen van de vloeistof. Dit klotsen wordt maatgevend beïnvloed door de oververhitting van de wanden en is bepalend voor het warmte- en materiaaltransport aan het vloeistofoppervlak en de drukontwikkeling in de tank.

Langer opslaan

Doel van het onderzoek is, de bij de overgang naar gewichtloosheid ontstane schommeling en de daarmee samenhangende veranderingen van de temperatuur en de druk zo nauwkeurig mogelijk te beschrijven.

De onderzoekers willen de uit de experimenten verkregen data gebruiken voor de ontwikkeling van nieuwe opslagsystemen. De experimenten aan het ZARM zouden kunnen bijdragen aan het vinden van methoden om vloeibaar waterstof langere tijd in geschikte tanks in het heelal te kunnen opslaan (foto's: ZARM).