Stromungen im Klimawandel

Wetenschappers van Airbus, DLR en BTU in de cleanroom van Airbus Defence and Space (ADS) in Friedrichshafen voor de hardwareonderdelen van het AtmoFlow-experiment. Van het BTU-team: Dr. Peter Szabo (3e van links), Simon Kühne (4e van links), Dr. Vadim Travnikov (6e van links), Peter Haun (6e van rechts), Prof. Christoph Egbers (5e van rechts) en Yann Gaillard-Röpké (4e van rechts). (Foto: ADS/Dr. Astrid Adrian)

Met een uniek experiment, dat uitsluitend in de gewichtloze toestand kan worden uitgevoerd, willen BTU-onderzoekers de effecten van klimaatverandering op de poolkappen van de aarde en de daarmee samenhangende veranderingen in lucht- en zeestromen onderzoeken.

In februari 2024 begon de tweede fase van het DLR-project "AtmoFlow". AtmoFlow verwijst naar de wetenschappelijke onderzoeken van convectieve stromingen in een bolvormig systeem, dat analoog is aan planetaire stromingsvelden", legt Prof. Dr.-Ing. Christoph Egbers uit, die het project leidt. De subsidieperiode beslaat drie jaar en het subsidiebedrag bedraagt bijna 680.000 euro.

BTU-stromingsonderzoek voor de derde keer in de ruimte

Met AtmoFlow zal voor de derde keer een door de BTU wetenschappelijk en technologisch gecoördineerd ruimtevaartexperiment in de orbit worden gebracht. De voorlopige experimenten GeoFlow I (2008-2009) en GeoFlow II (2011-2018) waren al zeer succesvol voorbereid en uitgevoerd vanuit Cottbus. Prof. Dr.-Ing. Christoph Egbers, hoogleraar Aerodynamica en Stromingsleer aan de BTU en leider van alle drie de projecten, legt enthousiast uit: “Dit is iets heel bijzonders. Er is nauwelijks een andere Duitse universiteit die al meer dan 20 jaar aan zo veel ruimtevaartexperimenten heeft deelgenomen.” Dit omvat ook talrijke begeleidende bodemexperimenten, paraboolvluchten en onderzoeksraketvluchten, waarbij korte tijd gewichtloosheid heerst. Met het nieuwe DLR-project worden drie extra posities voor wetenschappers gefinancierd.

Mini-Aarde op het ISS

Het hoofddoel van het Atmospherical Flow (AtmoFlow)-experiment ligt op het onderzoeken van atmosferische, convectieve stromingen in de bolvormige spleet. Dergelijke bolvormige spleet-experimenten zijn wijdverspreid in de disciplines geofysica, astrofysica en vooral in de atmosferische onderzoek en van centraal belang. De bijzonderheid van de BTU-techniek is haar bolvormige geometrie, in tegenstelling tot andere vaak platte, cartesiaanse experimenten.

In AtmoFlow moeten stromingen in een sferische geometrie worden onderzocht onder invloed van een centraal krachtveld ("Mini-Aarde"), die worden blootgesteld aan atmosferische randvoorwaarden. Deze opstelling kan niet op aarde worden gerealiseerd, omdat haar zwaartekrachtsveld het kunstmatige centrale krachtveld van het model overstemt. Onder microzwaartekrachtomstandigheden, dus in bijna gewichtloze toestand, kan het model-krachtveld echter convectie simuleren – stromingen zoals die voorkomen in de atmosfeer van de aarde, in de oceanen of in de mantel van magma.

Parallel en aanvullend ontwikkelt Dr.-Ing. Vadim Travnikov, wetenschapper in het team van Prof. Egbers, sinds januari 2024 binnen het kader van een door de DFG gefinancierd project een hydrodynamisch CFD-model (Computational Fluid Dynamics). Dit stromingsmodel moet de verschijningsvormen en de onderlinge interactie van atmosferische stromingen van de aarde beschrijven. Met behulp van een stabiliteitsanalyse krijgt de onderzoeker meer inzicht in de toestand van een stroming. Zo kan een instabiliteit de overgang naar een turbulente stroming in gang zetten, die zich bijvoorbeeld in de aardatmosfeer uit in een orkaan. “We zijn geïnteresseerd in hoe stromingen wereldwijd veranderen door klimaatverandering”, zegt de wetenschapper. “Met deze kennis kunnen meteorologen het lokale klimaat nauwkeuriger voorspellen.” De resultaten van dit onderzoek worden geïntegreerd in het project AtmoFlow, dat planetaire, atmosferische stromingen op het International Space Station (ISS) onderzoekt.

Volgens de huidige planning is de vlucht naar het ISS gepland voor 2026 of 2027

Het doel van het BTU-project is het ontwikkelen van een simulatiemodel dat op basis van de gegevens uit het bolmodel atmosferische convectieprocessen berekent. Door de randvoorwaarden te wijzigen – zoals hogere temperaturen op Noord- en Zuidpool – kunnen met dit model ook de effecten van klimaatverandering op stromingsprocessen worden gesimuleerd en mogelijke gevolgen worden ingeschat. Het team bestaat verder uit Dr. Peter Szabo, M.Sc. Peter Haun, M.Sc. Yaraslau Sliavin en M.Sc. Yann Gaillard-Röpke.

Achtergrond

Rusland, de VS, Japan en Europa beheren gezamenlijk de ISS en haar onderzoeksmodules nog minstens tot 2030. Alleen al uit Duitsland lopen 40-50 experimenten uit verschillende disciplines en instellingen in de gewichtloze toestand van het ruimtestation.