MPE: PK-3 Plus - Fortsetzung eines Erfolges

"PK-3 Plus"

Fortsetzung eines Erfolges

Evolution eines Projekt

PK-3 Plus ist, wie sein Vorgänger PKE-Nefedov, ein deutsch-russisches Gemeinschaftsprojekt. Das MPE arbeitet hier eng zusammen mit dem Institut für hohe Energiedichte der Russischen Akademie der Wissenschaften in Moskau. Die Wissenschaftler und Ingenieure beider Institute arbeiteten seit 2002 an der Realisierung von PK-3 Plus. Im Dezember 2005 wurde das neue 'Next-Generation' Komplex-Plasma-Experiment dann von einem russischen Progress-Transporter zur Internationalen Raumstation ISS gebracht und im Januar 2006 zum ersten Mal betrieben. Ein Ingenieursmodell, das bereits auf zwei Parabelflugkampagnen der ESA getestet wurde, verbleibt im MPE zur Planung der wissenschaftlichen Experimente im Orbit. Auf Anfrage der ESA haben die deutschen und russischen Wissenschaftler zugestimmt, PK-3 Plus auch anderen Wissenschaftlern zur Verfügung zu stellen, um so zum ESA-Programm zur Nutzung der Raumstation einen bedeutenden Beitrag zu leisten.

Vom Aufbau her ähnelt PK-3 Plus dem Vorgängermodell PKE-Nefedov (Abb.1, siehe auch Beschreibung); es handelt sich um ein Mini-Labor, das eine Hochfrequenzentladung in einem verdünnten Edelgas benutzt, um komplexe (staubige) Plasmen in Schwerelosigkeit zu untersuchen. Als ein Labor der zweiten Generation, in das die langjährige Erfahrung mit PKE-Nefedov eingeflossen ist, bietet PK-3 Plus eine Menge Verbesserungen und damit neue Möglichkeiten für Experimente mit komplexen Plasmen. So erlaubt PK-3 Plus ein Arbeiten mit zwei Gasen, Argon und/oder Neon, bei einem Druck zwischen 0.05 und 2.5 mbar und einer Hochfrequenzleistung von 0.01 - 1 W. Zur Herstellung des komplexen Plasmas dienen Mikropartikel in sechs verschiedenen Größen zwischen 1 und 20 μm, welche nun genauer dosiert werden können. Die Teilchenwolke kann, zusätzlich zur HF-Anregung, mit verschiedenen niederfrequenten Spannungen an den Elektroden (0.1 - 100 Hz, maximale Amplitude: 50 V) oder einer Modulation der HF mit verschiedenen Wellenformen (Sinus, Dreieck, Rechteck, Puls) beeinflusst werden. Die Elektronik wurde auch dahingehend verbessert, dass eine bessere Überwachung der Betriebsparameter ('Housekeeping data') möglich wird.

Die Komponenten

Abb. 2 zeigt eine 3-D-Skizze der neuen Plasmakammer. Gut zu erkennen sind die besonderen Merkmale der neuen Kammer: Größere Elektroden, sechs Teilchendispensoren, die nun in die Abschirmung integriert sind und eine neue, symmetrische Montierung zur Verbesserung des thermalen Verhaltens.

Abb.1: Der Gesamtaufbau der PK-3 Plus-
Anlage ähnelt sehr dem von PKE Nefedov.
(Siehe Beschreibung hier.)

Abb.2: Skizze des Herzstücks von PK-3 Plus,
die in zahlreichen Punkten verbesserte HF-
Plasmakammer.

Die PK-3 Plus Anlage teilt sich in zwei Einheiten: Den Experiment-Container und die 'Telescience'-Einheit (TS), wie auch bei PKE-Nefedov. Der Experiment-Teil ist eingeschlossen in einen zylindrischen Container, von dem aus elektrische und Vakuumverbindungen nach außen führen. Er beherbergt die Plasmakammer, die Betriebselektronik und einen Computer, sowie eine neu-integrierte Turbomolekularpumpe, die für ein Hochvakuum (<10^-5 mbar) in der Plasmakammer sorgt. Dies ist notwendig, um nach längerer Lagerzeit auf der ISS eine hohe Reinheit des Plasmas, und damit eine bessere Reproduzierbarkeit der Experimente zu erlangen. Eine Leitung zum Weltraum sorgt für das erforderliche Vorvakuum.

Die TS-Apparatur ist die Konsole zur Bedienung des Experiments und beherbergt gleichzeitig die Datenspeicher, um Housekeeping- und Videodaten zu sichern. Die digitalen Daten sind bereits einen Tag nach dem Experiment auf der Erde verfügbar, die Videodaten werden auf Festplatten gespeichert und beim n&aauml;chsten Crew-Wechsel mit einer Sojus-Kapsel oder dem Space Shuttle mit auf die Erde gebracht. Eine Vorschau der Videos ist allerdings auch direkt nach dem Experiment möglich, wenn die Daten über S-Band oder eine andere deutsche Einrichtung auf der ISS (ROKVISS) zum DLR-Zentrum in Weilheim übertragenn werden.

Bevor die Experimente im Orbit durchgeführt werden, werden die Experiment-Parameter zuerst auf dem Ingenieursmodell von PK-3 Plus in Garching (bei München) oder dem äquivalenten Modell im moskauer Institut getestet. Um einen sequentiellen Ablauf der Experimente zu definieren, werden diese in Software-Prozeduren gepackt und zur ISS übertragen, wo sie autonom abgearbeitet werden. Falls notwendig, können die Kosmonauten jedoch jederzeit über die TS-Einheit von Hand in das Experiment eingreifen.

Die Weiterentwicklung en detail

Im Vergleich mit PKE-Nefedov unterscheidet sich PK-3 Plus durch:

ein neues Konzept der Kammermontierung, um thermische Unterschiede (und damit Thermophorese) zu vermeiden, was zu einem homogeneren und symmetrischeren komplexen Plasma führt,
eine Vergrößerung des Elektrodendurchmessers dient dem selben Ziel; damit werden die Wirbel, die bei PKE-Nefedov zu sehen sind (siehe hier) weitgehend unterdrückt,
ein kontinuierlicher Gasfluss sorgt für eine bessere Reinhaltung des Gases; damit werden Experimente reproduzierbar,
bis zu sechs verschiedene Teilchengrößen (vorher zwei),
die HF-Kontrolle wurde dahingehend verbessert, dass nun auch Experimente mit sehr niedrigen Leistungen (10 mW) möglich sind,
ein neuer Funktionsgenerator mit mehr Möglichkeiten (größere Amplitude, mehrere Wellenformen),
eine dritte Kamera, die das gesamte Volumen zwischen den Elektroden im Blick hat,
eine vierte Kamera, die das Plasma abbilden kann,
verbesserte Gasregelung zur Feineinstellung des Gasdrucks,
größere Vorräte an Gas, die befüllt werden mit Argon und wahrscheinlich Neon,
ein weiterentwickeltes 'Housekeeping-System', das die Betriebsparameter genauer und schneller verfolgt und abspeichert,
eine zusätzliche Turbomolekularpumpe, integriert in den Experiment-Container, die für ein besseres Vakuum im Bereich 10^-6 mbar sorgt,
sog. Progressive Scan-Kameras, die ohne Zeilensprung arbeiten und damit die Auswertung der Videodaten erleichtern,
Digitale Speicherung der Videosignale auf Festplatten,
ein modulares Konzept der Experimentelektronik

Fig.3: Die Hardware vor dem Einbau in den ISS-
Experimentcontainer. (Zum Vergrößern anklicken.)

All diese Detailverbesserungen machen PK-3 Plus zu einem idealen Labor zur Untersuchung komplexer Plasmen, sowohl im Orbit als auch auf der Erde. Das Ingenieursmodell, das im MPE verbleibt, ist hierzu noch mit zusätzlichen Diagnose- und anderen Gerätschaften ausgestattet. Dies erlaubt z.B. mit geringem Aufwand einen Temperaturunterschied zwischen den Elektroden herzustellen, der die Teilchen durch die thermophoretische Kraft auch unter normaler Schwerkraft in der Schwebe halten kann. Dies eröffnet einen völlig neuen Weg zur Untersuchung ausgedehnter Systeme von komplexen Plasen auf der Erde.

Letzte Änderung: 2006-03-20
Ansprechpartner: Michael Kretschmer