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Fraunhofer IISB bereitet Weltraumexperiment ParSiWal vor

Besseres Verständnis für Partikeleinbau bei Siliziumkristallen für die PV

22. Februar 2012, 12:23 Uhr | Carola Tesche

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Variation der Verfahr- bzw. Kristallisationsgeschwindigkeit

Das ParSiWal-Experiment wird in einer mit Lampen beheizten Ofenanlage, der sogenannten ELLI-Anlage, durchgeführt. Die Anlage wurde bereits mehrfach erfolgreich als Nutzlast in Texus-Raketen für Kristallzüchtungsexperimente eingesetzt. Vor der Mission wird dazu ein zylindrischer Siliziumstab mit 8 mm Durchmesser in die Ofenanlage eingesetzt, der ein Depot an Partikeln unterschiedlicher Größe enthält. Kurz nach Erreichen der Schwerelosigkeit wird in dem Siliziumstab in der Umgebung des Partikel-Depots durch eine Induktionsspulenheizung eine flüssige Schmelzzone erzeugt. Nach der Verteilung der Partikel durch sogenanntes Magnetfeldrühren in der Schmelzzone, wird der Siliziumstab verfahren. Dadurch bewegt sich die Schmelzzone durch den Stab und somit auch die Fest-flüssig-Phasengrenze. Durch Variation der Verfahr- bzw. Kristallisationsgeschwindigkeit während des Fluges hoffen die Fraunhofer-Forscher, die kritische Einfanggeschwindigkeit für die Partikel bestimmen zu können. Vor dem Ende der schwerelosen Flugphase wird die Lampenheizung ausgeschaltet, so dass die Schmelzzone komplett erstarrt, bevor die Nutzlast am Fallschirm wieder auf der Erde landet. Die Auswertung des Experimentes erfolgt dann im Labor, wo zum Beispiel die Partikelverteilung im Siliziumstab vermessen wird.

Bis zum Flug ist einiges vorzubereiten, damit das Experiment reibungslos ablaufen kann. Es sind verschiedene Siliziumstäbe für Voruntersuchungen, für Referenzexperimente auf der Erde und für das eigentliche Flugexperiment vorzubereiten. Darüber hinaus sind die Charakterisierungsmethoden zu etablieren, um später das Flugexperiment auswerten zu können. In Voruntersuchungen im Labor müssen verschiedene Versuchsparameter ausgetestet werden, so dass sich ein optimaler Prozessablauf für das TEXUS-Experiment ergibt. Parallel zu den Experimenten gilt es, durch die Entwicklung geeigneter Theorien und Simulationstechniken ein tiefergehendes Verständnis über die Wechselwirkung zwischen den Partikeln und der sich bewegenden Phasengrenze zu gewinnen.

All diese Arbeiten erfordern unterschiedlichste Kompetenzen und Erfahrungen. Deshalb kooperieren die Forscher vom Fraunhofer IISB mit den Experten vom Kristallographischen Institut der Universität Freiburg, die bereits mehrfach Siliziumkristalle unter Schwerelosigkeit gezüchtet haben, und mit Wissenschaftlern vom Lehrstuhl für Material- und Prozesssimulation der Universität Bayreuth sowie vom Institut für Chemische Verfahrenstechnik und Materialwissenschaft der Universität von Minnesota, USA.

Die Teams aus Bayreuth und Minnesota sind ausgewiesene Spezialisten in der numerischen Modellierung, speziell in der Mehrskalensimulation, die notwendig ist, um die Wechselwirkung der Partikel mit der sich bewegenden Phasengrenze beschreiben zu können.

Das ParSiWal-Projekt ist Bestandteil des Programms Forschung unter Weltraum-bedingungen des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt (DLR) und wird vom DLR-Raumfahrtmanagement für die nächsten drei Jahre mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert.

Für die Erlanger Forscher wird es das 8. Weltraumexperiment auf dem Gebiet der Kristallzüchtung seit 1983 sein. Zudem wird die in Erlangen am Fraunhofer IISB entwickelte Software CrysMAS, die Temperaturverteilungen in Ofenanlagen berechnet und ein aufwendiges Qualifizierungsverfahren bei der Europäischen Raumfahrtagentur ESA durchlaufen hat, seit nunmehr einigen Jahren erfolgreich von Experimentatoren aus ganz Europa eingesetzt, um materialwissenschaftliche Experimente auf der Internationalen Raumstation zu unterstützen.