Close-contact melting - process insights and relevance for ice exploration

Schüller, Kai; Kowalski, Julia (Thesis advisor); Behr, Marek (Thesis advisor); Berkels, Benjamin (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019, Kumulative Dissertation

Kurzfassung

Die Erde ist teilweise von Eis bedeckt, welches Antworten auf wichtige wissenschaftliche Fragestellungen in seinem Inneren beherbergt. Außerdem kann Eis wissenschaftlich interessante Regionen konservieren. Beispielsweise können subglaziale Seen, die seit mehreren hunderttausend Jahren von der Außenwelt abgeschieden sind, wichtige Hinweise auf die Entwicklung des Lebens auf der Erde liefern. Seitdem bekannt ist, dass Eis nicht nur auf der Erde existiert, sondern auch an anderen Orten in unserem Sonnensystem anzutreffen ist, besteht ein großes wissenschaftliches Interesse diese fernen Eiswelten zu erkunden. Nicht zuletzt, da bereits von zwei Monden (Saturnmond Enceladus und Jupitermond Europa) bekannt ist, dass diese sogar flüssiges Wasser unterhalb ihres Eispanzers beherbergen und somit an diesen Orten gute Voraussetzungen für extraterrestrisches Leben vermutet werden. Ein erprobter Ansatz für die terrestrische Eisexploration sind Schmelzsonden. Aufgrund ihrer geringen Größe, Masse und ihrer einfachen Mechanik sind Schmelzsonden darüber hinaus ein vielversprechender Ansatz für die extraterrestrische Eisexploration in zukünftigen Raumfahrtmissionen. Schmelzsonden können sich durch Heizelemente im Schmelzkopf durch das Eis bewegen. Dazu wird der Phasenübergang von fest zu flüssig in Richtung der Sondentrajektorie eingeleitet. Das Schmelzwasser strömt entlang der Schmelzsonde nach hinten. Dort wird es, je nach Eistemperatur, nach einer bestimmten Zeit wieder gefrieren. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es Modelle zu entwickeln, die helfen diesen Multiphysik-Prozess zu beschreiben. Um den Wärmetransport entlang der Schmelzsonde und in das umgebende Eis zu beschreiben wurde zunächst ein makroskaliges Modell zur Lösung von Schmelzprozessen mit natürlicher Konvektion entwickelt. Es basiert auf der Enthalpie-Porositäts-Methode. Dies ist ein Festgitteransatz, womit auf nur einem Gebiet mithilfe eines Phasenfeldes die Unbekannten (Phasengrenze, Geschwindigkeit, Druck und Temperatur) bestimmt werden können. Zur Validierung des Modells wurde ein Experiment entwickelt, in dem kontrolliertes Schmelzen von Wassereis mit einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung untersucht werden kann. Die experimentellen Ergebnisse, d.h. Bildaufnahmen der Phasengrenzenausbreitung, wurden in einer kollaborativen Arbeit für die Modellvalidierung aufbereitet. Dazu wurden die optischen Bilder segmentiert, um die Position der Phasengrenze zu ermitteln. Es konnte eine gute Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen beobachtet werden. Darüber hinaus wurde ein Modell zur Beschreibung der Schmelzsondentrajektorie entwickelt, das auf der Kontaktschmelztheorie basiert. Da vereinfacht angenommen werden kann, dass die Schmelzgeschwindigkeit im Wesentlichen durch den Wärmetransport im Bereich des Schmelzfilms unterhalb des Schmelzkopfes bestimmt wird, beinhaltet das Modell nur diesen mikroskaligen Bereich. Zusätzlich wurde ein maßgeschneidertes Modell für das IceMole-Schmelzkopfdesign entwickelt, welches Kurvenfahrten im Eis durch einen hybriden Schmelzkopf ermöglicht. Die Randbedingung am Schmelzkopf, d.h. die Temperatur oder Wärmestromdichte, kann somit inhomogen und asymmetrisch sein. Das Kurvenschmelzmodell wurde ebenfalls durch ein geeignetes Experiment validiert. Das Modell kann für eine Vielzahl von wichtigen Fragestellungen eingesetzt werden. Beispielsweise konnte ein guter Kandidat für die optimale Wärmestromdichteverteilung eines planaren runden Schmelzkopfes identifiziert werden. Sie folgt einer Gaußschen Verteilung, d.h. die meiste Leistung muss im Zentrum des Schmelzkopfes aufgebracht werden, um effizient zu schmelzen. Für geradliniges Schmelzen einer zylindrischen Schmelzsonde mit einem planaren Schmelzkopf konnte darüber hinaus ein vereinfachtes Modell, basierend auf der Kontaktschmelztheorie, hergeleitet werden. Verglichen mit dem deutlich einfacheren etablierten Modell, das standardmäßig für die Schmelzsondenauslegung verwendet wird und analytisch lösbar ist, berücksichtigt das vereinfachte Kontaktschmelzmodell den Einfluss der Kraft auf die Schmelzgeschwindigkeit. Dadurch ist es beispielsweise möglich den Einfluss der Fallbeschleunigung auf die Schmelzgeschwindigkeit zu untersuchen. Eine entsprechende Studie für unterschiedliche Eiswelten unseres Sonnensystems zeigte, dass signifikante Unterschiede bzgl. der Schmelzgeschwindigkeit bei gleicher Schmelzsondenkonfiguration zu beobachten sind. Weiterhin konnte das vereinfachte Kontaktschmelzmodell in einer zusätzlichen Studie verwendet werden, um zu bestimmen, ob eine Schmelzsonde weitere Heizelemente entlang ihrer Hülle benötigt. Dies ist unter Umständen nötig, um zu gewährleisten, dass verflüssigtes Eis nicht erneut an der Sonde gefriert, wodurch diese an der Weiterfahrt gehindert werden könnte. Sowohl das makroskalige als auch die mikroskaligen Modelle liefern wichtige Werkzeuge für die Simulation moderner Schmelzsonden, sowohl für die terrestrische als auch für die extraterrestrische Eisexploration. So konnte beispielsweise mithilfe einer Einweg-Kopplung die Schmelzgeschwindigkeit einer Schmelzsonde zunächst im mikroskaligen Modell ermittelt und anschließend im makroskaligen Modell weiterverwendet werden, um den globalen Wärmetransport im Phasenübergangsmaterial zu untersuchen. Dadurch konnte gezeigt werden, dass konvektiver Wärmetransport für massenärmere Himmelskörper kleiner ist als auf der Erde, was der geringeren Gravitationsbeschleunigung geschuldet ist. Folglich reicht es nicht aus, Schmelzsondendesigns für künftige Raumfahrtmissionen unter terrestrischer Gravitationsbeschleunigung zu qualifizieren. Stattdessen muss die Ziel-Gavitationsbeschleunigung, entweder im Versuch oder numerisch, simuliert werden.

Identifikationsnummern

Downloads