Charakterisierung von Kohlendioxid-Plasmaströmungen zur Simulation von Marseintrittsmanövern

Das Thema dieser Arbeit ist die Charakterisierung von CO2-Plasmaströmungen, die die Simulation von Eintrittsmanövern an Planeten ermöglichen. Die Planeten Venus und Mars besitzen eine von CO2 dominierte Atmosphäre und besonders unser direkter Nachbarplanet Mars steht momentan im Fokus aktueller explorativer Missionen. Für eine sicherere und umfangreichere Erkundung der Planeten sind effiziente Technologien erforderlich. Dabei spielen Hitzeschutzmaterialien (engl. Thermal Protection Systems, TPS) eine wichtige Rolle, denn sie ermöglichen erst die Eintrittsmanöver und machen einen erheblichen Masseanteil der Raumfahrzeuge aus. Durch Verbesserung und effizienteren Einsatz der Hitzeschutzmaterialien kann der Nutzlastanteil gesteigert und durch Erhöhung der Sicherheit die Erfolgschancen der Missionen verbessert werden. Das Testen und die Weiterentwicklung solcher Hitzeschutzmaterialien sind mit Hilfe des induktiven Plasmagenerators IPG4 am Plasmawindkanal PWK3 möglich. Die Voraussetzung für solche Tests ist die Kenntnis der wichtigsten Parameter des Freistrahls. Die Messung der Parameter wird mit zwei unterschiedlichen Gruppen von Messmethoden durchgeführt. Als Teil der nicht intrusiven Messmethoden und Schwerpunkt dieser Arbeit wird die laserspektroskopische Methode der Zwei-Photonen laserinduzierten Fluoreszenz (engl. Two-Photon Absorption Laser-Induced Fluorescence, TALIF) eingesetzt. Damit wird zum ersten Mal bei Eintrittsbedingungen in einem induktiv geheizten CO2-Plasma die Grundzustandsdichte von Sauerstoff, als eines der wichtigsten Dissoziationsprodukte einer CO2-Strömung, gemessen. Absolute Aussagen (Grundzustandsdichte, translatorische Temperatur und Geschwindigkeit) über den atomaren Sauerstoff werden durch Messungen an Xenon ermöglicht, das einen passenden Zweiphotonenübergang besitzt und so zur Kalibrierung benutzt werden kann. Zur Erweiterung der Charakterisierung werden auch weitere Messmethoden genutzt. Die optische Emissionsspektroskopie (OES) und ein Hochgeschwindigkeitskamerasystem (HSC) werden als weitere nicht intrusive Diagnostiken eingesetzt. OES ermöglicht die Identifizierung der vorkommenden Spezies sowie die Bestimmung von Vibrations-, Rotations- und elektronischen Anregungstemperaturen. Die Daten der Hochgeschwindigkeitsaufnahmen geben orts- und zeitaufgelöste Informationen über Emissionsverteilungen einzelner identifizierter Spezies in der Strömung, was durch den Einsatz von schmalbandigen Spektralfiltern erreicht wird. Darüber hinaus werden intrusive, also in die Strömung gebrachte, Sonden verwendet, um Totaldruck, Wärmestromdichte und massenspezifische Enthalpie zu messen. Die massenspezifische Enthalpie wird dabei auf zwei unterschiedliche Weisen ermittelt. Dazu wird einerseits eine spezielle Enthalpiesonde und andererseits ein indirekter semiempirischer Ansatz, der sich auf die Messung von Totaldruck und Wärmestromdichte sowie eine benötigte Konstante stützt, verwendet. Durch die Sondenmessung der massenspezifischen Enthalpie ist es möglich, die Konstante aus den Daten dieser Arbeit, durch eine Rückrechnung neu zu ermitteln und mit der Literatur zu vergleichen. Insgesamt geben die Ergebnisse Aufschluss über wichtige Parameter der Strömung wie Geschwindigkeit, Temperaturen, Teilchendichte, Totaldruck, Wärmestromdichte und massenspezifische Enthalpie. Weiter sind über die identifizierten Atome und Moleküle Aussagen über die chemische Zusammensetzung der Strömung möglich, wodurch Betrachtungen des thermo-chemischen Zustandes der Plasmaströmung ermöglicht werden. Für die supersonische Strömung zeichnet sich das Bild eines Nichtgleichgewichtszustandes, das im Einzelnen (chemisch und thermisch) betrachtet wird. Es wird ein Vergleich der vorliegenden Strömungsdaten zu Daten der vergangenen erfolgreichen Marsmissionen sowie weltweit anderer Bodentestanlagen dargestellt. Dabei wird gezeigt, dass der Plasmawindkanal PWK3 mit dem induktiven Plasmagenerator IPG4 in der Lage ist, die Wärmestromdichte und die massenspezifische Enthalpie der bisherigen Eintrittsmissionen im vollen Umfang zu reproduzieren, jedoch der Totaldruck nur auf die frühen Phasen der Eintrittstrajektorien beschränkt simulierbar bleibt. Das Ergebnis dieser Arbeit ist eine sehr gut charakterisierte CO2-Plasmaströmung, die zur Erprobung von Hitzeschutzmaterialien für zukünftige Flüge zum Mars und der Venus verwendet werden kann

Mars and Venus entry simulation capabilities of IRS plasma wind tunnel PWK3

An assessment is made for the inductively driven plasma wind tunnel PWK3 with the goal to derive relevant mass specific enthalpies for typical Mars and Venus atmospheric entry missions. For this purpose an integral method has been used which links the plasma power to the radial distribution of total pressure and fully catalytic heat flux in the plasma jet on basis of a relation from Marvin and Pope. Rebuilding the enthalpies with this relation allows for the derivation of a gas specific proportionality factor. This factor enables the derivation of the mass specific enthalpies at the centre line and the radial profiles for the respective condition are not necessarily required any more. Correspondingly a review of reference CO2 plasma conditions obtained in past investigations at IRS leads to the identification of an operational envelope in terms of the mass specific enthalpies which are from an energy consideration the prerequisite for the creation of similarities with respect to the real atmospheric entry maneuvers. The analysis shows that PWK3 is capable to cover the full range of mass specific enthalpies that are required for typical Mars and Venus atmospheric entry scenarios

Baltic provenance of top-Famennian siliciclastic material of the northern Rhenish Massif, Rhenohercynian zone of the Variscan orogen

The provenance of top-Famennian sedimentary rocks linked to the Hangenberg Crisis from the northern Rhenish Massif (Germany) was investigated by the means of detrital zircon U-Pb geochronology. Based on the obtained age spectra, three main tectonothermal domains are recognized as possible sources: Paleo- and Mesoproterozoic (~ 2000–1000 Ma) units of Baltica and Early Paleozoic Caledonian orogen (~ 500–400 Ma). Our interpretation of the detritus having been derived from northern source areas, i.e., Baltica and the Scandinavian Caledonides, with a minor input of German-Polish (Rügen-Pomeranian) Caledonides, contradicts the traditional view that, during the Upper Devonian, the northern Rhenish Massif was supplied by detritus from the south. Complementary mineralogical, textural and geochemical analyses point to a derivation of the detritus of Drewer and Hangenberg Sandstones mainly from felsic, recycled continental crust. The elevated concentrations of Pb and Zn in the studied sections are a feature attributed to hydrothermal alteration related to the terminal Devonian synsedimentary volcanism or post-depositional Variscan deformation

Reply to Comment by M.F. Pereira, J.B. Silva and C. Gama on "Baltic provenance of top-Famennian siliciclastic material of the northern Rhenish Massif, Rhenohercynian zone of the Variscan orogen, by Koltonik et al., International Journal of Earth Sciences (2018) 107:2645–2669"

The authors of the Comment suggest that our geological overview map of the European Variscides is incorrect in the section showing SW Iberia (our Fig. 1a). However, our paper reports results of the provenance study from the northern Rhenish Massif, and does not attempt to discuss the architecture and tectonic evolution of the Appalachian-Variscan belt. The aim of Fig. 1 is to locate the study area in the geological context of the European Variscides and not to extrapolate the implications of our findings down to southern Portugal. The map is mostly based on Franke (2014) that is explicitly stated in the caption. Our results are neutral towards the hypothetical correlation between the Mid-German Crystalline High and the southern domains of the Ossa-Morena Zone that is shown on the map[…

Scientific drilling projects in ancient lakes: integrating geological and biological histories

Sedimentary sequences in ancient or long-lived lakes can reach several thousands of meters in thickness and often provide an unrivalled perspective of the lake's regional climatic, environmental, and biological history. Over the last few years, deep drilling projects in ancient lakes became increasingly multi- and interdisciplinary, as, among others, seismological, sedimentological, biogeochemical, climatic, environmental, paleontological, and evolutionary information can be obtained from sediment cores. However, these multi- and interdisciplinary projects pose several challenges. The scientists involved typically approach problems from different scientific perspectives and backgrounds, and setting up the program requires clear communication and the alignment of interests. One of the most challenging tasks, besides the actual drilling operation, is to link diverse datasets with varying resolution, data quality, and age uncertainties to answer interdisciplinary questions synthetically and coherently. These problems are especially relevant when secondary data, i.e., datasets obtained independently of the drilling operation, are incorporated in analyses. Nonetheless, the inclusion of secondary information, such as isotopic data from fossils found in outcrops or genetic data from extant species, may help to achieve synthetic answers. Recent technological and methodological advances in paleolimnology are likely to increase the possibilities of integrating secondary information, e.g., through molecular dating of molecular phylogenies. Some of the new approaches have started to revolutionize scientific drilling in ancient lakes, but at the same time, they also add a new layer of complexity to the generation and analysis of sediment core data. The enhanced opportunities presented by new scientific approaches to study the paleolimnological history of these lakes, therefore, come at the expense of higher logistic, communication, and analytical efforts. Here we review types of data that can be obtained in ancient lake drilling projects and the analytical approaches that can be applied to empirically and statistically link diverse datasets for creating an integrative perspective on geological and biological data. In doing so, we highlight strengths and potential weaknesses of new methods and analyses, and provide recommendations for future interdisciplinary deep drilling projects

The 42nd Symposium Chromatographic Methods of Investigating Organic Compounds : Book of abstracts

The 42nd Symposium Chromatographic Methods of Investigating Organic Compounds : Book of abstracts. June 4-7, 2019, Szczyrk, Polan