Metrotec Mess- und Regeltechnik in der Raumfahrt

Sauerstoff-Ionen-Pumpe für die ISS

Airbus Defence and Space GmbH entwickelt aktuell im Auftrag der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA) eine Erweiterung des elektromagnetischen Levitators (EML), der eine Einrichtung für wissenschaftliche Material-Experimente und Teil der Laborausrüstung auf der internationalen Raumstation ISS ist.

Die EML-Anlage wurde von Airbus Defence and Space im Auftrag der europäischen Weltraumorganisation (ESA) (2) und der Raumfahrtagentur (1) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt. Gesteuert und überwacht wird der EML vom DLR Nutzerzentrum für Weltraumexperimente MUSC (Microgravity User Support Center) in Köln. Die EML-Anlage erzielt seit ihrer Inbetriebnahme wertvolle Ergebnisse im Bereich der materialwissenschaftlichen Forschung und wird von den Auftraggebern ESA und DLR auch in Zukunft unterstützt und um neue Funktionalitäten erweitert.


Alexander Gerst auf der ISS (Quelle:ESA)

Die EML-Anlage ist eine 360 kg schwere Anlage im Columbus-Modul der Internationalen Raumstation und wurde 2014 von ATV-5 (Automated Transfer Vehicle) „Georges Lemaître“, einem unbemannten Versorgungsraumschiff, auf die ISS gebracht. Dort wurde die Anlage von Alexander Gerst installiert und in Betrieb genommen. Zudem hat er die Probenprozessierung begleitet.

Mit dem Auftrag der europäischen Weltraumorganisation (2) ist eine Erweiterung des EML um ein Gerät zur Messung und exakt definierbaren Einstellung des SauerstoffPartialdrucks (EML OCS – EML Oxygen sensing and Control System) geplant, die voraussichtlich 2023 in Betrieb gehen soll. Damit sind zusätzliche materialwissenschaftliche Messungen unter einer gezielt einstellbaren Sauerstoffatmosphäre möglich.

METROTEC hat für das geplante OCS, ein steuer- und regelbarer Gasgenerator, in enger Zusammenarbeit mit Airbus Defence and Space einen Prototyp zur Steuerung und Regelung sowie die Sauerstoff-Sensoren entwickelt. Mit diesem Prototyp sollen Bauteilauswahl und Funktionalität verifiziert und validiert werden, um mit den entsprechenden Erkenntnissen nachfolgend eine flugtaugliche Version zu erstellen.

Foto des OCS Prototyps (Quelle: Airbus)


Der Gasgenerator (OCS) speist das Versuchsmodul (EML), in dem Laborversuche stattfinden sollen, kontinuierlich mit dem erzeugten Gasgemisch in einer geschlossenen Schleife.

Das Verfahren des OCS verwendet ein Heizelement, um Sauerstoff-Sensoren aus stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ), die zum Messen des Sauerstoff-Partialdruckes wie auch als Sauerstoff-Ionenpumpe dienen, zu beheizen. Dabei wird das Heizelement auf eine Temperatur von 600-700°C aufgeheizt, bei welcher der Sauerstoff-Sensor und die Sauerstoff-Ionenpumpe jene für YSZ typische Sauerstoff-Ionenleitfähigkeit annimmt.

Die vakuumdichte Keramik (YSZ) der Sauerstoff-Ionenpumpe trennt die Atmosphäre des geschlossenen Gaskreislaufes von der umgebenden Raumluft. (vgl. Bild 3). Mittels elektrischer Energie werden Sauerstoff-Ionen durch die Keramikwand transportiert und reichern im Gaskreislauf Sauerstoff an oder entziehen diesen. Es werden in dieser Generator-Version bis zu 8 ml/h reiner Sauerstoff bewegt. Diese Menge genügt, um zum Beispiel Trägergase aus Stickstoff-, Argon- oder Heliumgas mittels der Sauerstoff-Ionenpumpe auf einen von der Bodenstation aus einstellbaren Sollwert des Sauerstoff-Partialdruckes in der OCS in der ISS einzustellen. In der Projektvorgabe soll ein Sauerstoff-Partialdruck von 10-3 bar bis 10-20 bar erreicht werden. Die Regelaufgabe mit extrem unterschiedlichem Verhalten der Regelstrecke wurde mit Sätzen von Regelparametern gelöst, die in Abhängigkeit des aktuellen Sollwertes wirksam werden.

Mittels der Sauerstoff-Messung ( - im Bild 3: „Signal“) wird der erzeugte SauerstoffPartialdruck erfasst und als Regelwert an die Sauerstoff-Ionenpumpe (- im Bild 3: „Power for ionic pump“) geleitet. Das entstandene Gasgemisch wird, wie oben beschrieben, dem Versuchsmodul (EML) zugeführt, indem unter definierten und konstanten Sauerstoff-Partialdrucken diverse Laborversuche unter Schwerelosigkeit durchgeführt werden sollen.

Prinzip eines Sauerstoff-Generators (Quelle: METROTEC)

Für die Darstellung und Berechnungen des Sauerstoff-Partialdruckes, der einen Bereich von mehreren Zehnerpotenzen abdeckt, wurde die logarithmische Darstellung gewählt.

Regelung Sauerstoff-Partialdruck

METROTEC konnte in und mit diesem Projekt die langjährige Erfahrung insbesondere bei Spezialanwendungen in Verbindung mit Sauerstoff-Ionenpumpen im industriellen und forschenden Bereich anwenden und weiter ausbauen.

(1) DLR Raumfahrtagentur Verträge 50WP0505, 50WP0606, 50WP0808

(2) ESA Contract 21788/08/NL/BJ [EML (Electro-Magnetic Levitator) Phase B2/C/D Development] – Contract Change Notice 49 [EML OCS (Oxygen sensing and Control System) Phases C/D/E1 Development

“The view expressed herein can in no way be taken to reflect the official opinion of the European Space Agency nor of the German Space Agency”

Freigabe: ESA, DLR und Airbus 2021