Das Ziel dieses Experimentes war es, Verhalten und Interaktion von Flüssigkeiten unter Schwerelosigkeit zu beobachten. Interessant ist hierbei die visuelle Untersuchung der Wasserkrone, die bei der Kollision mit einem Festkörper entsteht. Die Form der Wasserkrone ist unter Schwerkraft von zwei Faktoren abhängig, der Oberflächenspannung des Wassers und der Erdbeschleunigung. Fehlt die Erdbeschleunigung kann die Oberflächenspannung des Wassers alleine beobachtet werden. Damit können beispielsweise Erkenntnisse über das (Strömungs-)Verhalten von Flüssigkeiten bei mechanischen Störeinflüssen gewonnen werden.


Die Ergebnisse der 'Frozen Reality'-Aufnahmen:

- Projektileinschlag: 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 jedem 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 F1: Vergleich zum Eintauchverhalten eines Projektils unter verschiedenen Erdanziehungs-bedingungen. Hier unter Schwerkraft (1g): Das Projektil (blaues Objekt) trifft auf die Flüssigkeitsansammlung und erzeugt die bekannte Wasserkrone, die sehr bald wieder in sich zusammenfällt. (Quelle: FSR)

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Bild F2: Der gleiche Versuch unter Mikro-gravitation (Zero G): Das Projektil (blaues Objekt) trifft auf die Flüssigkeitsansammlung und erzeugt eine Wasserkrone, die von der Oberflächenspannung des Wassers zusammen-gehalten wird: es ergibt sich ein Wasserzylinder nach oben hin. (Quelle: FSR)

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Ein Einschlag in Mikrogravitation sieht zunächst wie unter Schwerkraft (Bild F1) aus. Da die Schwerkraft jedoch fehlt, bewegt sich das Wasser immer weiter in die einzige Richtung ohne Wiederstand: nach oben (Bild F2). Die einzige Kraft, die in diesem Moment wirkt, ist die Oberflächenspannung. Bild F2 zeigt eine beeindruckende Aufnahme, die mit dem 'Frozen Reality'-Verfahren aufgenommen wurde.

Bei einem zylindrischen Projektil fällt der Vergleich ähnlich aus, jedoch gibt es keine so ästetisch und wohl geformen Wasserkronen, wie es bei einem runden Projektil (siehe Bild F1 und F2) der Fall ist. Die Aufnahmen unter Schwerkraft zeigen eine feine Versprühung des Wassers nach allen Seiten (dies ist auch der großen Geschwindigkeit des Projektils geschuldet). Unter Mikrogravitation wird das Wasser durch die Oberflächenspannung größtenteils zusammengehalten (Bild F4), was in dem "Hügel" rechts und der "Abspaltung" nach oben zu sehen ist.

Bild F4: Hier unter Mikrogravitation (Zero G): Das zylindrische Projektil (blaues Objekt) trifft auf die Flüssigkeitsansammlung. Da die Oberflächen-spannung das Wasser zusammenhält, wird größtenteils kein "Sprühnebel" erzeugt, sonder das Wasser bewegt sich größtenteils zusammen-hängend nach oben hinweg. (Quelle: FSR)

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Bild F3: Vergleich zum Eintauchverhalten eines Projektils unter verschiedenen Erdanziehungs-bedingungen. Hier unter Schwerkraft (1g): Das zylindrische Projektil (blaues Objekt) trifft mit hoher Geschwindigkeit auf die Flüssigkeits-ansammlung und "versprühen" dadurch das Wasser nach allen Seiten. (Quelle: FSR)

- Projektileinschlag: Unter Schwerkraft erzeugte ein Projektileinschlag einer Kugel in Wasser die typische Wasserkrone, die wieder in sich zusammenfällt:

Ein Experimentier-Zylinder (dieser geht über die gesamte Breite eines Bildes in Bild F7) war mit einem kleineren Zylinder (dies ist der sichtbare Teil in der Mitte eines Bildes in Bild F7) und einer scharfen Metallscheibe (zum Zurückhalten des Wassers bei Zero G) so ausgestattet, dass der kleine Zylinder wie ein Glas mit Wasser gefüllt werden konnte. Dies hatte den Vorteil, dass mit dieser Konstruktion das Wasser auch bei Mikrogravitation kontrolliert im unteren Bereich des Zylinders gehalten werden konnte, bis der Einschlag des Projektils das Wasser aus dem kleinen Zylinder herauszwang.

Die Geschwindigkeit beim Einschuss des Projektils betrug 15 m/s und beförderte damit Luft in den kleinen Zylinder. Die erste Reaktion des Wassers nach Einschlagen des Projektils war die Ausbreitung in die einzig mögliche Richtung ohne Widerstand: nach oben. Zunächst erzeugt der Einschlag eine Art Wasserkrone, die der unter Schwerkraft ähnlich sieht. Da jedoch die Schwerkraft fehlt, bewegt sich das Wasser ungehindert schlauchtartig nach oben (und fällt nicht wieder in sich zusammen, wie unter Schwerkraft).

Ein deutlicher Unterschied zum Einschlag unter Schwerkraft ist auch die kugelförmige Ausbreitung der Luft im Zylinder, während unter Schwerkraft das Wasser von der Seite aus in das erzeugte Loch wieder zusammenfällt. Dieser Effekt ist besonders gut bei den 'Frozen-Reality' Aufnahmen zu sehen.

Bild F7: Der erste Eindruck zeigt eine Wasserkrone, wie sie dem Einschlag unter Erdanziehung sehr ähnlich sieht (Bild F7 b). Nach kurzer Zeit ergaben sich aber deutliche Unterschiede: Zunächst bewegte sich das Wasser schlauchartig nach oben, was durch die Oberflächenspannung verursacht wurde. Danach formte es sich unter Bewegung zu einer Wassersäule, die immer weiter aufstieg (Bild F7 c bis f). Unten im Zylindereinsatz mischte sich das Wasser durch die hohe Geschwindigkeit des Projektils mit Luft und erzeugte viele kleine Luftblasen. Nach dem Einschlag wurde der Ball am Boden reflektiert (Bild F7 c/d) und verursachte beim Austritt aus dem kleinen Zylinder horizontale Impulse, die einen lang wachsenden Wasserzweig zur Seite hervorriefen (Bild F7 e).

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- Wasserstrahlen: In einem Zylinder, der mit einer Wasser-Spritze und einer kleinen Metallplatte (Target) auf der gegenüberliegenden Seite ausgestattet war, wurde das von der Schwerkraft abhängige Verhalten von Wasser beim Auftreffen auf ein Hindernis untersucht.

Obwohl das Target mit einer ultrahydrophoben (wasserabweisenden) Schicht über-zogen war, konnte die Schicht dem Druck des Strahles nicht standhalten. Erkennbar ist dies an der Ausbildung einer Wasserhalbkugel, die am Target nach der Bestrahlung haften bleibt.

Interessant war der Vergleich unter 1 G und Zero G: Bei normaler Schwerkraft prallte das Wasser in feinen Tropfen nach allen Seiten ab und fiel zu Boden. In Mikrogravitation prallte das Wasser zunächst von der Metallplatte ab (die Kräfte durch die Bewegung bzw. die kinetische Energie des Wassers waren größer als die Oberflächenspannung - Bild F8), dann aber formte sich das Wasser zu einer Wasserkugel, die an der Metallplatte haften blieb (kinetische Energie des aufprallenden Wassers war kleiner als die Energie der Oberflächenspannung - Bild F9).

- Wasserabweisende Oberfläche: Um das Wasser an einem definierten Ort im Zylinder während der 0g-Phase zu halten, wurde in der Planungsphase des Projektes über eine wasserabweisende Schicht nachgedacht. Die Firma Desgussa stellte dem Team eine neu entwickelte wasserabweisende Oberflächenbeschichtung zur Verfügung. Fasziniert von den guten wasserabweisenden Eigenschaften wurde die Beobachtung dieses Phänomens zu einem eigenen kleinen Testexperiment. Darüber hinaus wurden auch die Experimentier-Zylinder teilweise mit dieser neuartigen Oberflächenbeschichtung behandelt.

Bereits während des Eingewöhnungsfluges wurden in einer kleinen Flasche die ersten Tests mit der ultrahydrophoben Oberfläche durchgeführt. Bereits zwischen normalen Flaschen aus Glas und solchen aus Plastik waren Unterschiede feststellbar. Bei normalen (nicht oberflächenbehandelten) Flaschen, die zur Hälfte mit Wasser befüllt waren, wurde die Oberfläche der Wand vollständig mit Wasser benetzt, wobei sich die Luft zu einer großen Luftblase in der Mitte der Flasche zurückzieht. Im Unterschied zu den normalen Flaschen löst sich das Wasser bei der oberflächenbehandelten Flasche langsam von der Wand ab und bildet eine unförmige Wasserkugel in der Mitte der Flasche. Die Beschichtung der Oberfläche der Flasche hatte also einen großen Einfluss auf das Verhalten von Flüssigkeiten.

Somit wurde ein Experimentier-Zylinder ebenfalls mit dieser wasserabweisenden Substanz beschichtet. Die Ergebnisse waren beeindruckend: Ursprünglich zur Generierung einer homogenen Kugel-Oberfläche in der Mitte des Zylinders gedacht, erzeugten jedoch die kleinen Restbeschleunigungen in Mikrogravitation die faszinierensten Gebilde (siehe Bild F10).