Materialvetenskaplaboratoriet

MSRR-1 (NASA)

European Space Agencys Materials Science Laboratory (MSL) är en nyttolast ombord på den internationella rymdstationen för materialvetenskapliga experiment med låg gravitation.

Den är installerad i NASA:s första Materials Science Research Rack som är placerad i Destiny -laboratoriet ombord på ISS. Dess syfte är att bearbeta materialprover på olika sätt: riktad stelning av metaller och legeringar, kristalltillväxt av halvledande material, termofysiska egenskaper och diffusionsexperiment av legeringar och glasbildande material, och undersökningar av polymerer och keramer vid vätskan -fast fasövergång.

MSL byggdes för ESA av EADS Astrium i Friedrichshafen, Tyskland. Den drivs och övervakas av Microgravity User Support Center (MUSC) vid German Aerospace Center (DLR) i Köln, Tyskland.

Uppdragssammanfattning

MSL lanserades med Space Shuttle Discovery på sitt STS-128- uppdrag i slutet av augusti 2009. Den överfördes från Multi-Purpose Logistics Module till Destiny Laboratory kort efter att skytteln dockat till den internationella rymdstationen cirka två dagar efter uppskjutningen. Efter det började driftsättningsaktiviteterna först kolla upp funktionaliteten hos Materials Science Research Rack och MSL inuti MSRR. I driftsättningen ingick bearbetningen av de två första proverna som skedde i början av november. Efter att ha tagit tillbaka dessa två prover till marken för analys av forskarna kommer resten av proverna från batch 1 att bearbetas i början av 2010.

Kärnanläggning

Anläggningen Materials Science Laboratory (MSL) är bidraget från European Space Agency till NASA:s MSRR-1. Den upptar hälften av ett internationellt standardnyttolastställ .

MSL består av en Core Facility , tillsammans med tillhörande stödsubsystem. Kärnanläggningen består huvudsakligen av en vakuumtät cylinder av rostfritt stål ( Process Chamber ) som kan ta emot olika individuella ugnsinsats (FIs) , inom vilken provbearbetning utförs. Bearbetningskammaren ger en noggrant kontrollerad bearbetningsmiljö och mätning av mikrogravitationsnivåer. Den kan hysa flera olika ugnsinsatser . Under den första omgången av experiment installeras Low Gradient Furnace (LGF). En annan ugn, Solidification and Quenching Furnace (SQF) är redan producerad och väntar på marken för framtida drift. FI kan flyttas med en dedikerad drivmekanism för att bearbeta varje prov enligt krav från forskarna. Bearbetning sker normalt under vakuum.

Core Facility stöder FI:er med upp till åtta värmeelement och tillhandahåller den mekaniska, termiska och elektriska infrastrukturen som krävs för att hantera FI:erna, Sample Cartridge Assembly (SCA), tillsammans med all tillhörande experimentdedikerad elektronik som kan behövas.

En FI är ett arrangemang av värmeelement, isolerande zoner och kylzoner som ingår i en värmeisoleringsenhet. På det yttre höljet av denna enhet finns en vattenkyld metallmantel som bildar det mekaniska gränssnittet till Core Facility .

De viktigaste egenskaperna hos de två tillverkade ugnsinsatserna är:

• Låg gradientugn (LGF)

LGF är främst designad för Bridgman-kristalltillväxt av halvledarmaterial. Den består av två uppvärmda kaviteter åtskilda av en adiabatisk zon. Denna enhet kan skapa låga och exakt kontrollerade gradienter mellan två mycket stabila temperaturnivåer.

• Stelnings- och härdningsugn (SQF)

SQF är designad huvudsakligen för metallurgisk forskning, med möjlighet att släcka stelningsgränssnittet i slutet av bearbetningen genom att snabbt förskjuta kylzonen. Den består av en uppvärmd kavitet och en vattenkyld kylzon, åtskilda av en adiabatisk zon. Det kan fastställa medium till branta temperaturgradienter längs experimentprovet. För att skapa stora gradienter förbättrar en Liquid Metal Ring den termiska kopplingen mellan SCA och kylzonen.

Exempel på patronmontering

Proverna som ska bearbetas finns i experimentpatroner, SCA, som består av ett läcktätt rör, degel, sensorer för processkontroll, provsond och patronfot (dvs. det mekaniska och elektriska gränssnittet till processkammaren). MSL-säkerhetskonceptet kräver att experimentprover som innehåller giftiga föreningar finns i SCA som stödjer upptäckt av potentiella läckor. Volymen mellan experimentprovet och patronröret är fylld med en fördefinierad mängd krypton, vilket möjliggör läckagedetektering med masspektrometri. Den första omgången av experiment innehåller dock inga giftiga ämnen.

Upp till 12 vetenskapliga termoelement ger provets temperaturprofil och tillåter differentiell termisk analys.

Experiment

Materials Science Laboratory - Columnar-to-Equiaxed Transition in Solidification Processing (CETSOL) and Microstructure Formation in Casting of Technical Alloys under Diffusive and Magnetically Controlled Convective Conditions (MICAST) är två undersökningar som kommer att undersöka olika tillväxtmönster och utveckling av mikrostrukturer under kristallisation av metalliska legeringar i mikrogravitation.

MICAST studerar mikrostrukturbildning under gjutning av tekniska legeringar under diffusiva och magnetiskt kontrollerade konvektiva förhållanden. De experimentella resultaten tillsammans med parametriska studier med numeriska simuleringar kommer att användas för att optimera industriella gjutprocesser. MICAST identifierar och kontrollerar experimentellt de vätskeflödesmönster som påverkar mikrostrukturutvecklingen under gjutprocesser, och för att utveckla analytiska och avancerade numeriska modeller. Mikrogravitationsmiljön på den internationella rymdstationen är av särskild betydelse för detta projekt eftersom endast det finns alla gravitationsinducerade konvektioner eliminerade och väldefinierade förhållanden för stelning råder som kan störas av att artificiellt vätskeflöde är under full kontroll av experimentörerna. Designlösningar som gör det möjligt att förbättra gjutprocesser och speciellt aluminiumlegeringar med väl definierade egenskaper kommer att tillhandahållas. MICAST studerar inverkan av rena diffusiva och konvektiva förhållanden på aluminium-kisel (AlSi) och aluminium-kisel-järn (AlSiFe) gjutlegeringar på mikrostrukturutvecklingen under riktad stelning med och utan roterande magnetfält.

Huvudsyftet med CETSOL är att förbättra och validera modelleringen av Columnar-Equiaxed Transition (CET) och av kornmikrostrukturen vid stelningsbearbetning. Detta syftar till att ge industrin förtroende för tillförlitligheten hos de numeriska verktyg som introduceras i deras integrerade numeriska modeller för gjutning, och deras relation. För att uppnå detta mål kommer en intensiv fördjupning av den kvantitativa karakteriseringen av de grundläggande fysikaliska fenomen som, från den mikroskopiska till den makroskopiska skalan, styr mikrostrukturbildning och CET att eftersträvas. CET uppstår under pelartillväxt när nya korn växer före pelarfronten i den underkylda vätskan. Under vissa förhållanden kan dessa korn stoppa den kolumnära tillväxten och sedan blir stelningsmikrostrukturen likaxlig. Experiment måste äga rum på ISS på grund av den långa varaktighet som krävs för att stelna prover med målet att studera CET. Längdskalan för kornstrukturen när pelartillväxt äger rum är i själva verket av storleksordningen gjutskalan snarare än mikrostrukturskalan. Detta beror på det faktum att det, till en första approximation, är värmeflödet som styr övergången snarare än flödet av lösta ämnen. Experimentella program genomförs på aluminium-nickel och aluminium-kisellegeringar.

Relaterade publikationer

• Schaefer D, Henderson R. Concept for Materials Science Research Facility. 38:e mötet och utställningen för flygvetenskap. Reno, NV. 12 -15 januari, AIAA-1998-259. 1998
• Cobb SD, Higgins DB, Kitchens L. First Materials Science Research Facility Rack-kapacitet och designfunktioner. IAF abstracts, 34:e COSPAR Scientific Assembly, The Second World Space Congress. ;J-6-07. 2002
• Carswell W, Kroeger F, Hammond M. QMI: en ugn för bearbetning av metaller och legeringar på den internationella rymdstationen. Proceedings från 2003 IEEE Aerospace Conference. 1:1-74. 2003
• Pettigrew PJ, Kitchen L, Darby C, Cobb SD, Lehoczky S. Designfunktioner och möjligheter hos First Materials Science Research Rack (MSRR-1). Proceedings från 2003 IEEE Aerospace Conference. 1:55-63. 2003

Se även

Vetenskaplig forskning på ISS

Galleri

• 

  Jorda MSRR-1 i startkonfiguration. Den högra sidan av racket innehåller MSL Engineering Model. Den vänstra sidan innehåller MSRR-1 Rack Support Subsystems (nedre delen) och förvaringsbehållaren (övre delen). Den vänstra sidan har utrymmen/gränssnitt för att stödja en extra ugnsmodul vid behov.

• 

  MSL:s låggradientugn och Sample Ampoule Cartridge Assembly 2004.

• 

  En närbild av Low Gradient Furnace (LGF) och Solidification and Quenching Furnace (SQF) utvecklade av European Space Agency som ligger på höger sida av MSRR-1.

• 

  NASA Bild: ISS020E037829 Europeiska rymdorganisationens astronaut Christer Fuglesang (överst i förgrunden) och NASA-astronauten Tim Kopra, båda specialister på STS-128-uppdrag, installerar ett Material Science Research Rack-1 (MSRR-1) i Destiny-laboratoriet på den internationella rymdstationen

externa länkar

• MSL webbplats för DLR
• ESA:s MSL-webbplats