Sieden verstehen, um der Nuklearindustrie und Weltraummissionen zu helfen

Jul 21, 2023

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Um ausgedehnte Missionen im Weltraum zu starten, orientiert sich die National Aeronautics and Space Administration (NASA) an der Nuklearindustrie: Sie versucht zu verstehen, wie das Kochen funktioniert.

Bei der Planung langfristiger Missionen erforscht die NASA Möglichkeiten, möglichst wenig kryogenen Treibstoff für einen effizienten Start einzupacken. Eine mögliche Lösung besteht darin, die Rakete im Weltraum mithilfe von Treibstoffdepots in niedrigen Erdumlaufbahnen zu betanken. Auf diese Weise kann das Raumschiff die geringste Treibstoffladung tragen – genug, um die niedrige Erdumlaufbahn zu erreichen, bei Bedarf aufzutanken und die Mission abzuschließen. Doch das Auftanken im Weltraum erfordert gründliche Kenntnisse über kryogene Treibstoffe.

„Wir [müssen verstehen], wie sich das Sieden von Kryogenen unter Mikrogravitationsbedingungen [im Weltraum] verhält“, sagt Florian Chavagnat, Doktorand im sechsten Jahr am Department of Nuclear Science and Engineering (NSE). Schließlich ist es für die Treibstoffmanagementstrategie der NASA von entscheidender Bedeutung, zu verstehen, wie Kryogene im Weltraum sieden. Die überwiegende Mehrheit der Studien zum Sieden bewertet Flüssigkeiten, die bei hohen Temperaturen sieden, was nicht unbedingt auf Kryogene zutrifft. Unter der Leitung von Matteo Bucci und Emilio Baglietto arbeitet Chavagnat an einer von der NASA geförderten Forschung über Kryogene und die Art und Weise, wie sich der fehlende Auftrieb im Weltraum auf das Sieden auswirkt.

Eine Kindheit voller Tüfteln

Chavagnat entwickelte ein tiefes Verständnis für technische und physikalische Phänomene, als er in Boussy-Saint-Antoine, einem Vorort von Paris, aufwuchs. Seine Eltern arbeiteten für die staatliche Eisenbahngesellschaft SNCF. Chavagnat erinnert sich, wie er mit seinem Vater, einem Ingenieur, über die Funktionsweise von Zügen und Motoren sprach und verschiedene Modelle aus Balsaholz baute. Eines seiner denkwürdigsten Projekte war ein Segelboot, das von einem Motor einer elektrischen Zahnbürste angetrieben wurde.

Als Teenager erhielt Chavagnat eine Metalldrehmaschine als Geschenk. Sein Basteln wurde zur Obsession; Ein Druckluftmotor war ein Lieblingsprojekt. Bald sei aus dem kleinen Gartenschuppen seiner Eltern eine Fabrik geworden, erinnert sich Chavagnat lachend.

Eine lebenslange Liebe zu Mathematik und Physik ebnete den Weg zum Nationalen Institut für Angewandte Wissenschaften in Rouen, Normandie, wo Chavagnat im Rahmen eines fünfjährigen Ingenieurprogramms Energietechnik und Antriebe studierte. In seinem letzten Jahr studierte Chavagnat Atomtechnik am INSTN Paris-Saclay, einem Teil der angesehenen französischen Kommission für alternative Energien und Atomenergie (CEA).

Das letzte Studienjahr an der CEA erforderte ein sechsmonatiges Praktikum, das traditionell die Weichen für einen Job stellt. Chavagnat beschloss, das Risiko einzugehen und sich stattdessen für ein Praktikum am MIT NSE zu bewerben, da er wusste, dass sein zukünftiger Kurs ungewiss sein könnte. „Ich bin in meinem Leben nicht viel Risiko eingegangen, aber dieses war ein großes Risiko“, sagt Chavagnat. Das Wagnis ging auf: Chavagnat gewann das Praktikum bei Charles Forsberg, was ihm die Zulassung als Doktorand ermöglichte. „Ich habe mich für das MIT entschieden, weil es schon immer meine Traumschule war“, sagt Chavagnat. Ihm gefiel auch die Idee, sich der Herausforderung zu stellen, seine Englischkenntnisse zu verbessern.

Eine Liebe zur Physik und zur Wärmeübertragung

Chavagnat liebt die Physik – „wenn ich irgendein physikalisches Problem studieren kann, würde ich mich freuen“, sagt er – was ihn dazu brachte, sich mit der Wärmeübertragung zu beschäftigen, genauer gesagt mit der Siedewärmeübertragung. Seine frühen Doktorarbeiten konzentrierten sich auf das transiente Sieden in Kernreaktoren, von denen ein Teil im International Journal of Heat and Mass Transfer veröffentlicht wurde.

Chavagnats Forschung zielt auf eine bestimmte Art von Kernreaktor ab, den sogenannten Materialtestreaktor (MTR). Nuklearwissenschaftler nutzen MTRs, um zu verstehen, wie sich im Anlagenbetrieb verwendete Materialien bei langfristiger Nutzung verhalten könnten. Dicht gepackter Kernbrennstoff, der mit hoher Leistung betrieben wird, simuliert Langzeiteffekte durch einen sehr intensiven Neutronenfluss.

Um Ausfälle zu verhindern, begrenzen die Betreiber die Reaktortemperatur, indem sie sehr kaltes Wasser mit hoher Geschwindigkeit fließen lassen. Wenn die Wärmeleistung des Reaktors unkontrolliert ansteigt, beginnt das Leitungswasser zu kochen. Durch das Sieden wird ein Schmelzen verhindert, indem die Neutronenmoderation verändert und dem Brennstoff Wärme entzogen wird. „[Leider] funktioniert das nur so lange, bis man einen bestimmten Wärmefluss an der Brennstoffhülle erreicht, danach sinkt der Wirkungsgrad vollständig“, sagt Chavagnat. Sobald der kritische Wärmefluss erreicht ist, beginnt Wasserdampf, die Brennelemente zu bedecken und zu isolieren, was zu einem raschen Anstieg der Manteltemperaturen und einem möglichen Durchbrennen führt.

Der Schlüssel besteht darin, das Verhalten des maximalen Siedewärmeflusses unter routinemäßigen MTR-Bedingungen herauszufinden – kaltes Wasser, hohe Strömungsgeschwindigkeit und enger Abstand zwischen den Brennelementen.

Untersuchung des kryogenen Siedens

Das Kochen steht weiterhin im Mittelpunkt, während Chavagnat der Frage für die NASA nachgeht. Kryogene sieden bei sehr niedrigen Temperaturen, daher ist die Frage, wie man Treibstoffverluste bei routinemäßigen Weltraumoperationen verhindern kann, wichtig.

Chavagnat untersucht, wie sich das Sieden bei reduziertem oder fehlendem Auftrieb verhält, also den Bedingungen, denen kryogener Raketentreibstoff im Weltraum ausgesetzt sein wird.

Um weltraumähnliche Bedingungen auf der Erde zu reproduzieren, kann der Auftrieb verändert werden, ohne in den Weltraum zu fliegen. Chavagnat manipuliert die Neigung der kochenden Oberfläche – indem man sie beispielsweise auf den Kopf stellt –, sodass der Auftrieb nicht das tut, was er normalerweise tut: Blasen von der Oberfläche zu lösen. Er führt auch Siedeexperimente in Parabelflügen durch, um die Mikrogravitation zu simulieren, ähnlich wie an Bord der Internationalen Raumstation.

Chavagnat hat Geräte entwickelt und gebaut, die beide Methoden mit minimalen Änderungen durchführen können. „Wir haben das Sieden des Stickstoffs auf unserer Oberfläche beobachtet, indem wir ihn mit zwei Hochgeschwindigkeitsvideokameras abgebildet haben“, sagt er. Das Experiment wurde für die Parabelflüge von Zero-G genehmigt, einem Unternehmen, das Schwerelosigkeitsflüge durchführt. Das Team hat im Jahr 2022 vier Parabelflüge erfolgreich abgeschlossen.

„Ein Experiment an Bord eines Flugzeugs zu fliegen und es in der Schwerelosigkeit durchzuführen, ist eine unglaubliche Erfahrung, aber auch eine Herausforderung“, sagt Chavagnat. „Die Kenntnis der Details des Experiments ist ein Muss, aber andere Fähigkeiten sind sehr nützlich – insbesondere die Arbeit im Team, in der Lage sein, hohen Stresspegel zu bewältigen und bei Reisekrankheit arbeiten zu können.“ Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die meisten Probleme an Bord nicht behoben werden können, da Flugzeugpiloten die Parabel (die jeweils 17 Sekunden dauert) fast hintereinander ausführen.

Während seiner Forschung am MIT war Chavagnat fasziniert davon, wie komplex ein einfaches Phänomen wie Sieden tatsächlich sein kann. „In der Kindheit hat man eine gewisse Vorstellung davon, wie Kochen aussieht, relativ langsame Blasen, die man mit bloßem Auge sehen kann“, sagt er, „aber die Komplexität wird einem erst bewusst, wenn man sie mit eigenen Augen sieht.“

In seiner seltenen Freizeit spielt Chavagnat Fußball mit der NSE-Mannschaft, den Atom Smashers. „Die Gruppe trifft sich nur fünfmal im Semester, es ist also eine eher zurückhaltende Veranstaltung“, sagt Chavagnat, der die meiste Zeit im Labor verbringt. „Ich mache hauptsächlich Experimente am MIT. Es stellt sich heraus, dass die Fähigkeiten, die ich mit 15 in meinem Schuppen gelernt habe, hier tatsächlich sehr nützlich sind“, lacht er.

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