Laboratorium Inżynierii Materiałowej

MSRR-1 (NASA)

Laboratorium Nauki o Materiałach (MSL) Europejskiej Agencji Kosmicznej jest ładunkiem na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej do eksperymentów materiałoznawczych w warunkach niskiej grawitacji.

Jest zainstalowany w pierwszym stojaku do badań materiałowych NASA , który jest umieszczony w laboratorium Destiny na pokładzie ISS. Jego celem jest przetwarzanie próbek materiałów na różne sposoby: kierunkowe krzepnięcie metali i stopów, wzrost kryształów materiałów półprzewodnikowych, właściwości termofizyczne i eksperymenty dyfuzyjne stopów i materiałów szklotwórczych oraz badania polimerów i ceramiki w fazie ciekłej - przemiana fazowa ciała stałego.

MSL został zbudowany dla ESA przez EADS Astrium w Friedrichshafen w Niemczech. Jest obsługiwany i monitorowany przez Centrum Wsparcia Użytkowników Mikrograwitacji (MUSC) Niemieckiego Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki (DLR) w Kolonii w Niemczech.

Podsumowanie misji

MSL został wystrzelony z promu kosmicznego Discovery na jego STS-128 misji pod koniec sierpnia 2009 roku. Został on przeniesiony z Wielozadaniowego Modułu Logistycznego do Laboratorium Przeznaczenia wkrótce po tym, jak wahadłowiec zadokował do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, jakieś dwa dni po wystrzeleniu. Następnie rozpoczęto czynności związane z uruchomieniem, aby najpierw sprawdzić funkcjonalność stojaka badawczego do badań materiałowych i MSL wewnątrz MSRR. Uruchomienie obejmowało obróbkę dwóch pierwszych próbek, które odbyło się na początku listopada. Po sprowadzeniu tych dwóch próbek z powrotem na ziemię w celu analizy przez naukowców, reszta próbek z partii 1 zostanie przetworzona na początku 2010 roku.

Podstawowy obiekt

Laboratorium Nauki o Materiałach (MSL) jest wkładem Europejskiej Agencji Kosmicznej w MSRR-1 NASA. Zajmuje połowę międzynarodowego standardowego stojaka ładunkowego .

MSL składa się z Core Facility wraz z powiązanymi podsystemami wsparcia. Obiekt główny składa się głównie z próżnioszczelnego cylindra ze stali nierdzewnej ( komora procesowa ), w którym można umieścić różne indywidualne wkłady pieca (FI), w których przeprowadzane jest przetwarzanie próbek. Komora przetwarzania zapewnia dokładnie kontrolowane środowisko przetwarzania i pomiar poziomów mikrograwitacji. Może pomieścić kilka różnych wkładów pieca . Podczas pierwszej partii eksperymentów instalowany jest piec o niskim gradiencie (LGF). Kolejny piec, piec do zestalania i hartowania (SQF), jest już wyprodukowany i czeka na przyszłe operacje. FI można przesuwać za pomocą dedykowanego mechanizmu napędowego, aby przetwarzać każdą próbkę zgodnie z wymaganiami naukowców. Przetwarzanie zwykle odbywa się w próżni.

Core Facility obsługuje FI z maksymalnie ośmioma elementami grzejnymi i zapewnia infrastrukturę mechaniczną, termiczną i elektryczną niezbędną do obsługi FI, zespół wkładu próbki (SCA) wraz z wszelkimi powiązanymi urządzeniami elektronicznymi przeznaczonymi do eksperymentów, które mogą być wymagane.

FI to układ elementów grzejnych, stref izolacji i stref chłodzenia zawartych w zespole izolacji termicznej. Na zewnętrznej powłoce tego zespołu znajduje się chłodzony wodą metalowy płaszcz, który tworzy mechaniczne połączenie z Centrum Podstawowym .

Główne cechy dwóch wyprodukowanych wkładów piecowych to:

• Piec o niskim gradiencie (LGF)

LGF jest przeznaczony głównie do hodowli kryształów Bridgmana w materiałach półprzewodnikowych. Składa się z dwóch ogrzewanych wnęk oddzielonych strefą adiabatyczną. Ten zespół może ustanowić niskie i precyzyjnie kontrolowane gradienty między dwoma bardzo stabilnymi poziomami temperatury.

• Piec do krzepnięcia i hartowania (SQF)

SQF jest przeznaczony głównie do badań metalurgicznych, z możliwością hartowania granicy krzepnięcia na końcu procesu poprzez szybkie przemieszczenie strefy chłodzenia. Składa się z ogrzewanej wnęki i chłodzonej wodą strefy chłodzenia oddzielonej strefą adiabatyczną. Może ustalić średnie lub strome gradienty temperatury wzdłuż próbki eksperymentalnej. W celu tworzenia dużych gradientów pierścień z ciekłego metalu poprawia sprzężenie termiczne między SCA a strefą chłodzenia.

Zespół wkładu próbki

Próbki do przetworzenia znajdują się w kartridżach eksperymentalnych, SCA, które składają się ze szczelnej rurki, tygla, czujników do kontroli procesu, sondy próbkowej i stopki kartridża (tj. mechanicznego i elektrycznego interfejsu z komorą procesową). Koncepcja bezpieczeństwa MSL wymaga, aby próbki eksperymentalne zawierające toksyczne związki były zawarte w SCA, które wspierają wykrywanie potencjalnych wycieków. Objętość między próbką doświadczalną a rurką naboju jest wypełniona określoną ilością kryptonu, co umożliwia wykrycie nieszczelności za pomocą spektrometrii mas. Jednak pierwsza partia eksperymentów nie zawiera żadnych substancji toksycznych.

Do 12 naukowych termopar zapewnia profil temperatury próbki i umożliwia różnicową analizę termiczną.

Eksperymenty

Laboratorium Inżynierii Materiałowej - Columnar-to-Equiaxed Transition in Solidification Processing (CETSOL) and Microstructure Formation in Casting of Technical Alloys under Diffusive and Magnetically Controlled Convection Conditions (MICAST) to dwa badania, które zbadają różne wzorce wzrostu i ewolucję mikrostruktur podczas krystalizacji Stopy metali w mikrograwitacji.

MICAST bada formowanie się mikrostruktury podczas odlewania stopów technicznych w warunkach dyfuzyjnych i kontrolowanych magnetycznie konwekcji. Wyniki eksperymentów wraz z badaniami parametrycznymi z wykorzystaniem symulacji numerycznych posłużą do optymalizacji przemysłowych procesów odlewniczych. MICAST identyfikuje i kontroluje eksperymentalnie wzorce przepływu płynów, które wpływają na ewolucję mikrostruktury podczas procesów odlewania, oraz rozwija analityczne i zaawansowane modele numeryczne. Środowisko mikrograwitacji Międzynarodowej Stacji Kosmicznej ma szczególne znaczenie dla tego projektu, ponieważ tylko tam wyeliminowane są wszystkie konwekcji indukowane grawitacją i panują dobrze określone warunki krzepnięcia, które mogą zostać zakłócone przez sztuczny przepływ płynu będący pod pełną kontrolą eksperymentatorów. Projektujemy rozwiązania, które umożliwiają usprawnienie procesów odlewniczych, aw szczególności zostaną dostarczone stopy aluminium o dobrze zdefiniowanych właściwościach. MICAST bada wpływ czystych warunków dyfuzyjnych i konwekcyjnych na odlewane stopy aluminium-krzem (AlSi) i aluminium-krzem-żelazo (AlSiFe) na ewolucję mikrostruktury podczas kierunkowego krzepnięcia z wirującym polem magnetycznym i bez niego.

Głównym celem projektu CETSOL jest ulepszenie i walidacja modelowania przejścia równoosiowego kolumnowego (CET) oraz mikrostruktury ziarna podczas procesu zestalania. Ma to na celu wzbudzenie w branży zaufania do niezawodności narzędzi numerycznych wprowadzonych do ich zintegrowanych numerycznych modeli odlewania oraz ich relacji. W tym celu prowadzone będzie intensywne pogłębianie ilościowej charakterystyki podstawowych zjawisk fizycznych, które od skali mikroskopowej do makroskopowej rządzą powstawaniem mikrostruktur i CET. CET występuje podczas wzrostu kolumny, gdy nowe ziarna rosną przed frontem kolumny w przechłodzonej cieczy. W pewnych warunkach ziarna te mogą zatrzymać wzrost kolumnowy, a następnie mikrostruktura krzepnięcia staje się równoosiowa. Eksperymenty muszą odbywać się na ISS ze względu na długi czas potrzebny do zestalenia próbek w celu zbadania CET. Rzeczywiście, skala długości struktury ziarnistej, gdy ma miejsce wzrost kolumnowy, jest rzędu skali odlewania, a nie skali mikrostruktury. Wynika to z faktu, że w pierwszym przybliżeniu to przepływ ciepła kontroluje przejście, a nie przepływ substancji rozpuszczonej. Prowadzone są programy eksperymentalne na stopach aluminiowo-niklowych i aluminiowo-krzemowych.

Powiązane publikacje

• Schaefer D, Henderson R. Concept for Materials Science Research Facility. 38. spotkanie i wystawa nauk o lotnictwie. Reno, NV. 12-15 stycznia; AIAA-1998-259. 1998
• Cobb SD, Higgins DB, Kitchens L. Placówka naukowo-badawcza zajmująca się pierwszymi materiałami Możliwości regałów i cechy konstrukcyjne. Abstrakty IAF, 34. Zgromadzenie Naukowe COSPAR, Drugi Światowy Kongres Kosmiczny. ;J-6-07. 2002
• Carswell W, Kroeger F, Hammond M. QMI: piec do obróbki metali i stopów na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Materiały z konferencji IEEE Aerospace 2003. ;1:1-74. 2003
• Pettigrew PJ, Kitchen L, Darby C, Cobb SD, Lehoczky S. Cechy konstrukcyjne i możliwości pierwszego stojaka do badań nad materiałami (MSRR-1). Materiały z konferencji IEEE Aerospace Conference 2003. ;1:55-63. 2003

Zobacz też

Badania naukowe na ISS

Galeria

• 

  Uziemić MSRR-1 w konfiguracji startowej. Po prawej stronie stojaka znajduje się model inżynierski MSL. Lewa strona zawiera podsystemy wsporników regałów MSRR-1 (część dolna) i pojemnik do przechowywania (część górna). Po lewej stronie znajdują się miejsca/interfejsy do obsługi dodatkowego modułu pieca, jeśli jest to wymagane.

• 

  Piec niskogradientowy MSL i zespół wkładu ampułki z próbką w 2004 r.

• 

  Widok z bliska pieca o niskim gradiencie (LGF) oraz pieca do krzepnięcia i hartowania (SQF) opracowanego przez Europejską Agencję Kosmiczną, znajdującego się po prawej stronie MSRR-1.

• 

  Zdjęcie NASA: ISS020E037829 Astronauta Europejskiej Agencji Kosmicznej Christer Fuglesang (na pierwszym planie) i astronauta NASA Tim Kopra, obaj specjaliści ds. misji STS-128, instalują stojak do badań materiałowych-1 (MSRR-1) w laboratorium Destiny Międzynarodowej Stacji Kosmicznej

Linki zewnętrzne

• MSL Witryna DLR
• Witryna MSL ESA