Experimentelle Untersuchungen zur Permeation kryogenen Heliums und Wasserstoffs durch Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe

Kurzfassung

Die Weiterentwicklung von metallischen Tanks für kryogene Treibstoffe zu solchen aus Faserverbundmaterial bringt große Gewichtseinsparungen mit sich. Eine geringe Permeabilität des Tankwerkstoffs für die Treibstoffe, insbesondere Flüssigwasserstoff, ist unbedingt erforderlich. Ein experimenteller Nachweis dafür steht noch aus. Das Ziel dieser Arbeit ist die Bereitstellung eines Versuchsstandes zur Ermittlung der Permeabilität von faserverstärkten Kunststoffen gegenüber Helium und Wasserstoff bei einer Anwendungstemperatur von unter 30 K. Der bestehende Teststand mit einem Kaltkopf zur Abkühlung und einem Helium- Lecktester zur Messung der Permeation der Prüfgase wurde analysiert. Die dabei festgestellte erreichbare Temperatur von 45K entsprach nicht der erforderlichen Testtemperatur von 30 K. Darüber hinaus konnten in einigen Bereichen des Vakuumsystems Lecks und ein zu großes Rauschen des Messsignals erkannt werden. Es wurden verschiedene Methoden zur thermischen Ankopplung der Experimentierzelle an den Kaltkopf und der einzelnen Bauteile der Testzelle untereinander untersucht. Unter Ausnutzung der speziellen thermophysikalischen Eigenschaften von Kupfer, Messing, rostfreiem Stahl und Indium konnte die thermische Ankopplung deutlich verbessert werden. Die nun erreichbare Probentemperatur von 26K liegt deutlich unterhalb der geforderten maximalen Testtemperatur von 30K Die Überarbeitung des Vakuumsystems umfasste die Abdichtung aller Verbindungen und die Verwendung spezieller Vakuumbauteile. Mit diesen Maßnahmen konnte das Signal-/Rauschverhältnis des Lecktesters um zwei und die Qualität des Isoliervakuums um eine Größenordnung verbessert werden. Durch die Auftrennung des Ver- und Entsorgungssystem des Prüfgases in verschiedene funktionelle Bereiche wurde die Betriebssicherheit bei der Verwendung von Wasserstoff deutlich erhöht. Anstelle der Verdünnung des Wasserstoffs mit Inertgas im Teststand wird das gesamte Wasserstoffinventar nun durch eine zusätzliche Vakuumpumpe entfernt. Ebenso wurde die eng mit der Betriebssicherheit verknüpfte Testprozedur den getätigten Umbauten entsprechend angepasst. Mit dem in dieser Arbeit weiterentwickelten Teststand ist erstmals eine experimentelle Bestimmung der Permeation von Helium und Wasserstoff durch Faserverbundmaterial bei der Verwendungstemperatur möglich.