Forschung mit dem Einstein-Elevator

Forschung mit dem Einstein-Elevator

Schnellfahrender Aufzug für 1.000 Kilogramm schwere wissenschaftliche Experimente

Der Einstein-Elevator – made in Hannover – ähnelt einem schnell-fahrenden Aufzug und ist die weltweit erste Forschungseinrichtung, die unterschiedliche Gravitationsbedingungen für Experimente von 0 g bis 5 g mit hoher Wiederholrate ermöglicht.

1. Sicht vom Fuß des Einstein-Elevators entlang der 37 m hohen Anlage für die Simulation unterschiedlicher Gravitationsbedingungen. (Quelle: Leibniz Universität Hannover/HITec)
2. 3D-Schnittmodell der Konstruktion des in Hannover aufgebauten Einstein-Elevators. (Quelle: Leibniz Universität Hannover/HITec)
3. Gondel des Einstein-Elevators mit angeschlossener Vakuumpumpe bei der ersten Dichtigkeitsprüfung. (Quelle: Leibniz Universität Hannover/HITec)
4. Experimentträger mit druckdichter Hülle bei der Integration in die Gondel. Das Gondeloberteil wird dafür angehoben. (Quelle: Leibniz Universität Hannover/HITec)

Schnellfahrende Aufzüge sind vor allem in den Hochhäusern der Superlative zu finden. Sie bringen die Fahrgäste möglichst schwingungsarm von Etage zu Etage und überwinden dabei große Höhen. Aufgrund der Längenlimitierung bei konventionellen Seilaufzügen wird international seit einigen Jahren an alternativen Antriebskonzepten gearbeitet.

Der nachfolgend vorgestellte Einstein-Elevator ist mit einem schnellfahrenden Aufzug vergleichbar – nur dass er ausschließlich für große wissenschaftliche Nutzlasten mit einer Masse von bis zu einer Tonne konzipiert ist. Das Ziel dieser Anlage besteht darin, das jeweilige Experiment in einer Kabine, der Gondel, innerhalb einer kurzen Strecke vertikal zu beschleunigen, einen vertikalen Parabelflug durchzuführen und anschließend Experiment und Gondel wieder sicher abzubremsen. Während des Parabelflugs befindet sich das Experiment zur Simulation von Gravitationsbedingungen, wie sie im Weltraum herrschen, in der Schwerelosigkeit. Mit dem weltweit für einen Fallturm einzigartigen Antriebskonzept, das auf Linearmotoren basiert, lassen sich aber nicht nur Schwerelos-Experimente durchführen, sondern auch gezielt Gravitationsbedingungen von Mond und Mars nachstellen (Bild 1). Dank des hohen Automatisierungsgrades lässt sich mit der Anlage außerdem eine hohe Wiederholrate für Statistik in der Experimentdurchführung realisieren.

Der Bedarf an einer neuen Fallturmgeneration ist in den letzten Jahren entsprechend den großen Fortschritten in der privaten Raumfahrtindustrie drastisch gestiegen. Denn Unternehmen wie SpaceX und auch staatliche Raumfahrtagenturen wie die NASA diskutieren bereits über eine Forschungsstation oder gar eine Kolonie auf dem Mond oder auf dem Mars in den nächsten zwei Jahrzehnten.

Kleines Team – große Ziele

Das Institut für Transport- und Automatisierungstechnik (ITA) der Leibniz Universität Hannover greift beim Bau und Betreiben großer Forschungsanlagen auf jahrzehntelange Erfahrungen zurück. Die Konzeption der vorgestellten Anlage zielt darauf ab, Produktionstechnik für den Einsatz im Weltraum zu befähigen. Dazu wird aktuell eine Arbeitsgruppe gebildet, um gemeinsam mit dem Laser ZentrumHannover e.V. bestimmte Themen, wie die additive Fertigung mit verschiedenen Materialien (zum Beispiel Mond-/Marsstaub), unter realistischen Umweltbedingungen untersuchen zu können. In Kooperation mit dem Institut für Quantenoptik der Leibniz Universität Hannover wurde eine Anlage konzipiert und aufgebaut, die erstmals Forschung unter verschiedenen Weltraumbedingungen auf der Erde ermöglicht.

Von der Konzeption bis zum heutigen Stand des Aufbaus der Anlage sind fast zehn Jahre vergangen. In dieser Zeit hat das ITA die Entwicklung eines geeigneten Konzepts initiiert, die finanziellen Mittel beantragt und die Bauleitung übernommen.1) Ein kleines Team von Ingenieuren hat eigene Messsysteme aufgebaut, erprobt und an die Anforderungen im Einstein-Elevator angepasst. Auch die Eingangstests verschiedener kritischer Komponenten, wie der Traverse und der Gondel, wurden im Institut erfolgreich durchgeführt.

Einzigartiges Konzept

Der Einstein-Elevator besteht im Wesentlichen aus zwei Turmkonstruktionen, Führungsschienen, Linearmotoren, einer Gondel, der Traverse, zwei Antriebswagen und dem Experiment (Bild 2). Zur Reduzierung der schwingungstechnischen Anregung der Gondel und des Experiments durch den Antrieb sind Antriebs- und Gondelführung auf die beiden Turmkon-struktionen aufgeteilt. Die beiden Türme stehen jeweils auf separaten Fundamenten, sodass keine Übertragung von Schwingungen zwischen ihnen stattfindet. Die Antriebskraft wird von den beiden über die Traverse verbundenen Antriebswagen auf die Koppelstange übertragen. Diese ist unterhalb der Gondel angebracht und stellt die einzige Verbindung zwischen Antrieb und Gondel dar. In der Gondel herrscht ein Vakuum, um auch während der mechanischen Entkopplung des Experiments im Gondelinneren beim vertikalen Parabelflug, dem freien Fall, keine Luftstöße und Schallwellen zu übertragen. Mit diesem Aufbau soll die Restbeschleunigung im Experiment während des Flugs auf <10 -6 g reduziert werden.

Ein hoher Automatisierungsgrad ermöglicht die Aufnahme statistischer Versuchsreihen. Nach dem freien Fall des Experiments landet dieses – bedingt durch Fertigungsungenauigkeiten und die Corioliskraft – außermittig auf dem Gondelboden. Vor jeder wiederholten Versuchsdurchführung ist der Experimentträger neu zu positionieren. Dies geschieht mithilfe eines Aktors, der von außerhalb der Gondel Stangen mit Kugelköpfen an den Enden im Gondelinneren hochdrückt. Der Experimentträger wird dadurch angehoben und dank der pyramidalen Füße allein mithilfe der Schwerkraft wieder zentriert. Da die Gondel zwischen den Versuchsdurchführungen nicht geöffnet werden muss, ist lediglich der Druckanstieg aus Leckagen und Desorptionsprozessen auszugleichen. Somit ergibt sich eine große Zeitersparnis. Außerdem besteht eine permanente Datenkommunikation zwischen dem Kontrollraum und dem Experiment, sodass aufgenommene Daten heruntergeladen, ausgewertet und neue Prozessdaten vor dem nächsten Start hochgeladen werden können. Nach vier Minuten steht die Anlage für den nächsten Test bereit. Mit 100 Experimenten in einer Acht-Stunden-Schicht ist eine Wiederholrate möglich, die in konventioneller Fallturmtechnik bislang unerreicht blieb.

Einige Herausforderungen

Der Einstein-Elevator erreicht in vielen Bereichen die Grenzen des mit konventioneller Technik Machbaren. Große Massen, starke Beschleunigung und hohe Präzision stehensich gegenüber. Die Führungsgenauigkeit entspricht der einer Werkzeugmaschine, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen ähneln Achterbahnen, und der Aufbau entsprichteinem schnellfahrenden Aufzug. Da ausschließlich auf erprobte Technik zurückgegriffen wurde, war oft die Suche nach geeigneter Hardware aufwändig. Die Antriebe des Einstein-Elevators haben beispielsweise eine Leistung von 4,8 MW. Zur Einspeisung dient eine Energiespeicheranlage, bestehend aus 4.896 Superkondensatoren mit einer gespeicherten Energie von 45,9 MJ, die europaweit zu den größten jemals in Betrieb genommenen gehört. Die hohe Leistung wird nur in der Startphase – innerhalb der erstenhalben Sekunde – benötigt, in der Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Anlage hochpräzise zu regeln sind. Auch die Messtechnik zur äußerst feinen Bahnregelung für die während des vertikalen Parabelflugs mit 20 m/s fahrende Gondel stellte eine Herausforderung dar. Die Gondel, in der das Experiment im Turm während des vertikalen Parabelflugs frei schwebt, ist möglichst leicht, aber gleichzeitig auch sehr robust und vakuumdicht ausgeführt. Äußerlich muss der Luftwiderstand aufgenommen werden. Im Inneren der Gondel befindet sich der 1.000 kg schwere Experimentaufbau, der während des Starts aufgrund der hohen Beschleunigung die fünffache Belastung auf den Gondelboden überträgt und nach dem freien Fall wieder abgebremst werden muss. Die Gondel ist nicht nur Schild des Experiments gegen den Luftwiderstand, sondern stellt auch eine Vakuumkammer dar. Dies ist eine weitere hohe Belastung für die Gondelhülle. In dieser Vakuumkammer wird ein Vakuum von 10 -2 mbar erreicht, um eine vollständige Entkopplung zwischen Gondel und Experimentträger zu ermöglichen (Bild 3). Um all diesen Anforderungen gerecht zu werden, wurde die Gondel aus kohlefaserverstärktem Kunststoff hergestellt und ist mit einem Gesamtgewicht von rund 500 kg etwa halb so schwer wie das Transportgut – trotz der hohen wirkenden mechanischen Kräfte.

Ein experimenteller Aufbau im Einstein-Elevator ist im Vergleich zu Aufbauten in anderen Fallturm-Einrichtungen größer und schwerer. Er hat einen Durchmesser von 1,7 m, eine Höhe von 2 m und eine Gesamtmasse von 1.000 kg. Neben dem Experiment befinden sich auf dem Experimentträger, der wie ein variabel verstellbares, aber möglichst steifes Regalsystem aufgebaut ist, eine Steuereinheit, die Telemetrie, eine Kommunikationseinrichtung und ein Energiespeicher. Außerdem kann optional eine druckdichte Hülle montiert werden, sodass das Experiment von einer Normal- oder Schutzgasatmosphäre trotz Vakuum in der Gondel umgeben ist (Bild 4).

Zusätzliche Systeme, wie Gas- oder Kühlmittelspeicher, sind einfach nachzurüsten. Gemeinsam mit dem Betreiberteam werden die experimentellen Aufbauten vor dem Flug feinjustiert und auf ihre Sicherheit geprüft. Für die Experimentatoren stehen zur Montage und Auswertung ihrer Experimente Fläche z. B. in der Versuchsvorbereitung und Büros zur Verfügung.

Zukünftige Forschungsthemen

Die ersten Forschungsprojekte im Einstein-Elevator werden aktuell vom Institut für Transport- und Automatisierungstechnik sowie vom Institut für Quantenoptik gemeinsam mit dem Laser Zentrum Hannover e.V. initiiert. Zu den Themen gehören beispielsweise 3D-Druck, Lasermaterialbearbeitung, Pulverhandhabung in Schwerelosigkeit, Logistik im All (z. B. Material- und Bauteilhandhabung auf der Raumstation oder auf der Mond-/Marsoberfläche) sowie Abbau, Transport und Verarbeitung von Material zum Unterkunftsbau. In der physikalischen Grundlagenforschung stehen u. a. ultrakalte Quantengase (z. B. Bose-Einstein-Kondensate) sowie deren Atominterferometrie und Materiewellenexperimente im Fokus. Mit dem Einstein-Elevator können statistische Kampagnen aufgrund der hohen Wiederholrate erstmals in adäquater Zeit und zu deutlich geringeren Kosten als bisher durchgeführt werden. Aber auch diverse andere Themen aus dem Maschinenbau, der Physik, der Biologie und der Medizin lassen sich wissenschaftlich bearbeiten.

Der Einstein-Elevator steht den Forschern ab Anfang 2019 zur Verfügung. Interessierte Forschungseinrichtungen haben die Möglichkeit, gemeinsam Projekte durchzuführen. Ansprechpartner ist Christoph Lotz (Tel.: 0511/762 2291; E-Mail: christoph.lotz@ita.uni-hannover.de).

Weitere Informationen sind auch im Internet unter www.einstein-elevator.de abrufbar.

Hebezeuge Fördermittel 12/2018 PDF-Download (2.78 MB) Autor: C. Lotz, L. Overmeyer, S. Lazar