Laborbeschleuniger - Fraunhofer EMI

Beschleunigeranlagen für Impaktversuche

Für die Untersuchung der Phänomene beim Aufprall oder dem Einschlag eines Körpers auf die Oberfläche eines in der Regel größeren Körpers deckt das Fraunhofer EMI mit seinen Beschleunigungsanlagen in einzigartiger Weise einen sehr weiten Parameterbereich von Impaktormassen und Impaktgeschwindigkeiten ab. Je nach Aufgabe kann die passende Versuchsanlage gewählt werden oder es können verschiedene Versuchsanlagen für eine Fragestellung in komplementärer Weise genutzt werden.

Prinzipieller Aufbau der Beschleunigungsanlagen.

Funktionsprinzip einer Beschleunigungsanlage.

Schematischer Aufbau eines Laborbeschleunigers

Am Fraunhofer EMI werden Impaktvorgänge unter Laborbedingungen untersucht. Der schematische Aufbau des Beschleunigers mit angschlossener hochinstrumentierter Impaktkammer ist in der nebenstehenden Abbildung dargestellt. Die Beobachtung von kurzzeitdynamischen Vorgängen erfordert eine sehr hohe Zeitauflösung. Als bildgebende Verfahren werden Röntgenblitztechnik und Hochgeschwindigkeitskameras bzw. -videokameras verwendet. Um auch besonders hohe Impaktgeschwindigkeiten erreichen zu können, werden zweistufige Laborbeschleuniger eingesetzt. Hierbei wird die chemische Energie eines Treibladungspulvers genutzt, um zunächst ein Gas mit sehr geringem Molekülgewicht, wie Wasserstoff oder Helium, mit Hilfe eines im Pumprohr laufenden Kolbens zu komprimieren und schließlich in dem Hochdruckteil einen sehr hohen Druck in der Größenordnung von 10 000 bar aufzubauen. Bei diesem dynamischen Prozess birst eine Membran und die Anströmung des Projektilbodens setzt ein. Aufgrund der sehr hohen erreichbaren Strömungsgeschwindigkeit des leichten Gases werden hohe Projektilgeschwindigkeiten erreicht, welche die Orbitalgeschwindigkeit erdnaher Satelliten im Weltraum erreichen können.

Ablauf eines Impaktexperiments

Für die Durchführung von Impaktversuchen unter Laborbedingungen setzt das Fraunhofer EMI Laborbeschleuniger ein. Mit einstufigen Beschleunigern können Impaktgeschwindigkeiten bis zu 3 km/s erreicht werden. Insbesondere für sehr hohe Geschwindigkeiten über 3 km/s werden am Fraunhofer EMI zweistufige Beschleuniger eingesetzt. In der Abbildung ist dargestellt, wie für eine derartige Anlage in der ersten Stufe die chemische Energie eines Treibladungspulvers in einem sogenannten Pumprohr einen Kolben beschleunigt, um ein Gas mit sehr geringem Molekülgewicht, wie Wasserstoff oder Helium, unter einen sehr hohen Druck zu setzen. Der höchste Druck wird am Schluss der Kolbenbewegung erzielt, wobei der Kolben im sogenannten Abfangteil durch eine Laufdurchmesser-Verjüngung abgestoppt wird. Am Ende dieses Bereichs wird von dem aufgebauten Druck eine Membran durchbrochen und die Bodenfläche des zu beschleunigenden Projektils wird angeströmt. In der Animation wird demonstriert, wie eine kleine Aluminiumkugel auf diese Weise beschleunigt wird, ihre Geschwindigkeit bestimmt und dann der Impakt auf ein geneigtes Ziel untersucht wird.