Forscher und Studenten des Instituts für Raumfahrtsysteme in Stuttgart-Vaihingen haben eine Pumpe ohne Mechanik entwickelt. Sie wird im Weltraum getestet. Wir haben uns das Projekt erklären lassen.
Vaihingen - Ob der Drucker Papierstau meldet, der Wasserhahn tropft oder das Scheibenwischerblatt am Auto altersschwach aufgibt: Mechanik ist störanfällig. Solange ein Reparaturservice oder ein Baumarkt in der Nähe ist, wirken solche Ausfälle wenig spektakulär. Umkreist man den Erdball in 408 Kilometern Höhe, wie die Besatzung der internationalen Raumstation ISS, sieht das schon ganz anders aus. „Es sind schon etliche Forschungsvorhaben im All gescheitert, weil irgendeine Kleinigkeit nicht funktioniert hat“, sagt Manfred Ehresmann, Spezialist für Missionsanalyse und Systementwurf von Raumfahrzeugen und Raumstrukturen am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität in Stuttgart-Vaihingen. Auch seien die Testkosten für Mechanik, die in der Raumfahrt zum Einsatz kommen solle, enorm. Schließlich müsse gewährleistet sein, dass die Geräte bis zu zehn Jahre lang funktionstüchtig blieben.
Die Pumpe soll auf der ISS zum Einsatz kommen
Weil mechanische Geräte oft laut sind und in störender Weise vibrieren, dachte Ehresmann über etwas Neues nach. Gemeinsam mit einem Team von 30 Studenten entwickelte er innerhalb eines Jahres eine mechanikfreie Pumpe, die in Kürze auf der internationalen Raumstation unter die Lupe genommen werden soll. „Papell“ (Pump Application using Pulsed Electromagnets for Liquid Relocation) nennt sich das Gerät, das etwas kleiner ist als ein Schuhkarton. Es basiert auf der Idee, Ferrofluid, eine ölige, eisenoxidhaltige Flüssigkeit, über Elektromagneten zu steuern. Wenn diese ein Magnetfeld erzeugen, richten sich die Metallpartikel im Fluidum entsprechend aus, und die Flüssigkeit setzt sich in Bewegung.
Anwendung finden könnte dieses Prinzip beispielsweise in Kühlsystemen. Dabei würde die Flüssigkeit Wärme aufnehmen und abtransportieren. „Über ein Röhrensystem können wir auch einzelne Ferrofluidtropfen lenken“, erklärt Ehresmann. „Sie können nicht nur Luft einschließen und durch das System tragen, sondern auch feste Stoffe. Das ließe sich beispielsweise für Triebwerke nutzen, die Feststoffe wie Teflon verbrennen.“ Auch einen Einsatz in Wasserpumpen kann sich der Initiator des vom deutschen Luft- und Raumfahrtzentrum im Rahmen des Überflieger-Wettbewerbs geförderten Projekts vorstellen. „In entlegenen Gegenden der Welt, wo man nur schlecht an Ersatzteile herankommt, könnte unsere Technik einen Beitrag zur Versorgungssicherheit leisten.“ Bislang existiert nur der zehn mal zehn mal 15 Zentimeter messende Technikdemonstrator. Der kleine Kasten könnte eine große Zukunft haben, falls die Experimente, die der eben zu ISS gestartete deutsche Astronaut Alexander Gerst durchführen wird, zu den gewünschten Ergebnissen führen.
Wie verhält sich das Ferrofluid im Weltraum?
Noch wartet die Pumpe auf ihren ersten Flug ins All. Der ursprünglich für Mitte Mai geplante Start musste verschoben werden. „Die Verzögerung war zunächst natürlich ein Schock für uns“, sagt Ehresmann. „Zumindest lag es ja aber nicht an unserer Arbeit. In den USA wurde kurz vor dem festgesetzten Termin eine landesweite Prüfung der Lithium-Ionen-Batterien gefordert, die wir in Papell verbaut hatten. Sie werden auch in Handys oder E-Zigaretten verwendet, und es gab Verdachtsmomente, dass sie nicht reibungslos funktionieren. Die Nasa sah die Freigabe unseres Geräts ohne nochmaligen Sicherheits-Check als untragbares Risiko an. Das ist nachvollziehbar. Man muss sich nur vorstellen, was los wäre, wenn eine der Batterien auf der ISS zu brennen anfinge.“
Apropos Sicherheit: Bedeutet der Verzicht auf Mechanik nicht auch, dass Fehler schwieriger zu beheben sind? „Ein geflügeltes Wort unter Ingenieuren sagt: wartungsfrei heißt irreparabel. Wir haben aber an alles gedacht. Selbst wenn ein Elektromagnet ausfällt, was nicht passieren sollte, funktioniert die Pumpe weiter“, sagt Manfred Ehresmann.
Spannend ist dagegen, wie sich das Ferrofluid unter den Bedingungen im Weltraum verhält. Wird es sich auch dort als beliebig lange haltbar und stabil erweisen? „Das ist hier praktisch nicht zu simulieren“, sagt der Fachmann. In Kürze dürften Realbedingungen die Antwort liefern: Am 29. Juni soll Papell mit der Spx-15 Mission von Cape Canaveral aus mit einer Falcon 9-Trägerrakete abheben.