Mit diesen Versuchen sollten Einschlagvorgänge von Kleinkörpern (wie zum Beispiel Kometenpartikel [Klumpen aus Eis und Staub], Steingeschosse oder herumfliegender Weltraumschrott) in die Außenhülle von künstlichen Weltraumobjekten (wie zum Beispiel von Satelliten, Solarflächen, Raumschiffen oder Raumstationen) untersucht werden. Dazu wurde ein Kleinkörper auf ein bestimmtes Material geschossen (hier auf Glas und Solarzellen).

Um das Bruchverhalten für die Kameras gut sichtbar dokumentieren zu können, wurden jeweils am Boden der sogenannten Experimenten-Zylinder vier Haltestangen befestigt, die auf Höhe der 'Frozen Reality'-Kameraapparatur eine Glasplatte bzw. Solarzelle fixieren (Bild B1). Über eine Feder wurde ein Kleinkörper (hier eine nahezu runde Metallkugel) nach Einsetzen der Schwerelosigkeit auf die Glasplatte bzw. Solarzelle beschleunigt.

Bild B1: Experimentzylinder zur Simulation eines Kleinkörper-einschlages nach den Versuchen: Das Projektil (silberne Kugel) traf auf ein Solarpanel. (Quelle: Florian Maier)

Zuvor wurden auf der Erde unter Schwerkraft das jeweilige Bruchverhalten getestet. Die Ergebnisse unter Schwerkraft sollten dann mit den korrespondierenden Ergebnissen unter Schwerelosigkeit verglichen werden. Besonders interessant ist hierbei das Ausbreitungsverhalten der Bruchstücke und die Verteilung von Partikeln. Erkenntnisse über das zeitdynamische Verhalten sollte die zusätzliche Hochgeschwindigkeitsaufnahme liefern.


Die Ergebnisse der 'Frozen Reality'-Aufnahmen:

- Bruchversuche mit Glas: Die erlangten Bilder von High-Speed-Vorgängen in Mikrogravitation waren faszinierend und äußerst zufrieden stellend. Man konnte große Unterschiede zwischen den Versuchen unter Schwerkraft und denen in Mikrogravitation feststellen. Zu vielen der folgenden Bilder ist ein 'Frozen Reality'-Rundumschwenk vorhanden, mit dem man sich um das wie eingefroren wirkende Objekt herumbewegen kann (siehe jeweiligen Link zum Rundumschwenk). Im folgenden Teil sollen die Unterschiede zwischen Experimenten unter Schwerkraft und in Mikrogravitation gezeigt werden:

Bild B2: Vergleich des Bruchverhaltens von Glas unter verschiedenen Erdanziehungsbedingung-en. Hier unter Schwerkraft (1g): Das Projektil (Metallkugel) trifft auf die Glasscheibe, wobei diese kollapsartig zusammenbricht. (Quelle: FSR)

Bild B3: Der gleiche Versuch unter Mikro-gravitation (Zero G): Das Projektil (Metallkugel) trifft auf die Glasscheibe, wobei die Glaspartikel an Ihrer originalen Stelle "stehen bleiben".(Quelle: FSR)

'Frozen Reality' Schwenk (0G) ansehen

Vergleicht man den Einschlag eines Metallprojektils auf eine Glasplatte (10x10 cm) unter Schwerkraft mit einem Einschlag in Mikrogravitation, kann man einen großen Unterschied feststellen: Unter Schwerkraft bricht das Glas kollapsartig in sich zusammen (Sprödbruch) und fällt zu Boden (Bild B2). In Mikrogravitation bleibt das Glas an seiner originalen Stelle "stehen" und formt sich nur dort um das Projektil, wo dieses eingeschlagen ist (Bild B3).


- Bruchversuch von Solarzellen: Ähnlich zu den Experimenten mit Glas fällt die Solarzelle unter Schwerkraft in sich, und zwar in Richtung Boden, zusammen (Bild B4). In Mikrogravitation bricht die Solarzelle ebenfalls mit einem Mal in mehrere Stücke, lediglich die Splitter um den Einschlagskrater bewegen sich mit der Kugel nach unten und werden dann wieder reflektiert. Hier im Bild (Bild B5) muss jedoch angemerkt werden, dass die sehr dünne Solarzelle auf einen Glasträger aufgeklebt und an den Säulen befestigt war (etwas anderes war wegen Start und Landung und den damit verbundenen Erschütterungen nicht möglich). Daher werden die sehr großen Randsplitter durch die Wucht des Aufpralles ebenfalls nach unten gezogen, obwohl diese bei freier Beweglichkeit eigentlich an ihrem Platz bleiben. Dennoch zeigt das Bild in beeindruckender Weise die Verteilung der Splitter in den Raum nach oben, was unter Schwerkraft so nicht möglich ist.

Bei Solar-Panels von Satelliten wird man den Effekt, dass nur die Teile mitgerissen werden, die sich direkt in der Bewegungsrichtung des Projektils befinden, auch bei hohen Geschwindigkeiten feststellen können. Daher eignet sich für Solar-Panel-Konstruktionen wohl am besten ein Material, das nur bei starken Kräften, dann aber auf der Einschlagstelle in viele kleine Splitter geteilt wird. So wird nur ein kleiner Teil zerstört und es breiten sich nur minimale Splitter aus.

Bild E4: Vergleich des Bruchverhaltens einer Solarzelle unter verschiedenen Erdanziehungs-bedingungen. Hier unter Schwerkraft (1g): Das Projektil (Metallkugel) trifft auf die Solarzelle, die wie eine Glasscheibe kollapsartig in sich zusammenbricht. (Quelle: FSR)

Bild E5: Der gleiche Versuch unter Mikro-gravitation (Zero G): Das Projektil (Metallkugel) trifft auf die Solarzelle; die Partikel verteilen sich im Raum. (Quelle: FSR)

- Bruchversuche mit Glas: Die zeitdynamische Betrachtung eines Einschlages eines Projektils liefert ähnliche Ergebnisse wie die Auswertung der 'Frozen Reality' Aufnahmen. Während unter Schwerkraft die meisten Teile sofort nach unten fallen (kollapsartiger Zusammenbruch der Teile), werden in Mikrogravitation die Bruchstücke hauptsächlich nach oben beschleunigt. Die Glasplatte war mit kleinen Plastikscheibchen fixiert, die wiederum mit kleinen Schrauben befestigt waren. Daher wurde die Glasscheibe in der Nähe der Säulen nach unten gespannt und, nachdem das Glas brach, mit einer Drehung durch die Torsion nach oben beschleunigt.

Die anderen großen Teile, die durch das Projektil nach unten gedrückt wurden, werden am Boden reflektiert und fliegen zurück in den oberen Teil des Zylinders. In der Highspeedaufnahme kann man recht gut das Gesetz der Rotation bzw. der Drehimpulserhaltung betrachten: Die Bruch-Stücke rotieren und "tanzen" und tauschen bei jedem Zusammenprall miteinander Impulse aus.