Development and testing of thermal sensors for planetary applications

Die Oberflächen verschiedener planetarer Körper, welche keine oder nur eine dünne Atmosphäre besitzen, sind bedeckt mit sogenanntem Regolith. Dies ist ein granulares Material,welches hauptsächlich aus zerkleinertem Grundgestein besteht. Unter den gegebenen Bedingungen ist der dominierende Wärmeübertragungs-Mechanismus zwischen dem Körperinneren und seiner Umgebung, die Wärmeleitung. Aufgrund dessen wird die Energiebilanz eines solchen Körpers als Ganzes zu einem hohen Grad von der effektiven Wärmeleitfähigkeitder Oberächenschichten beeinusst. Da die Bedingungen vor Ort einen starken Einflussauf die Größe dieses Parameters haben, können authentische Werte am besten durch in-situMessung gewonnen werden. Aufgrund der technischen Anforderungen für Weltraummissionenund den rauen Umgebungsbedingungen vor Ort stellt die direkte Untersuchungder Wärmeleitfähigkeit dieser Regolith-Schichten eine hohe Herausforderung dar.Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, zur Entwicklung weltraumgeeigneter in-situ Messinstrumente für die Wärmeleitfähigkeit beizutragen. Zu diesem Zweck wurden kommerzielleals auch maßgeschneiderte thermische Sensoren, basierend auf der Hitzdrahtmethode undgeeignet für die vor Ort Messung der Wärmeleitfähigkeit von granularen Medien, für denEinsatz unter verschiedenen Druckbedingungen getestet. Die untersuchten Materialien reichenvon kompakten Proben bekannter Wärmeleitfähigkeit für die Kalibrierung der Sensorenzu verschiedenen granularen "Analogmaterialien" von unterschiedlicher Form und Korngröße.Die Messungen wurden unter Gasdrücken im Bereich von 10 (-5) hPa bis 10 3 hPa durchgeführt.Für die untersuchten Granulate führte die gegebene Druckreduktion zu einer Abnahme derWärmeleitfähigkeit um etwa zwei Größenordnungen. Zusätzlich wurde der Einsatz der verschiedenenSensoren unter unterschiedlichen Messbedingungen numerisch simuliert. Simulationenund Messungen zeigten, dass für Messungen unter Hochvakuum besondere Vorsichtgeboten ist.Various planetary bodies of our solar system which hold no or only a thin atmosphere arecovered by so-called regolith, a granular material of various grain size, which is mainly composed of crushed bedrock. Under the given conditions the dominant heat transfer mechanismbetween the body's interior and its surroundings is heat conduction. Thus the energy balanceof such a planetary body as a whole is controlled to a high extend by the effective thermalconductivity of the top surface layers. Because the local conditions have a strong influenceon the magnitude of this parameter, authentic values can best be obtained by in-situ measurements.Due to the limitations given for space missions and the harsh environmentalconditions on site, direct investigations of the thermal conductivity of these regolith layersare challenging.The present work aims to contribute to the development of in-situ instruments feasible forspace application. Therefore commercial as well as custom made thermal sensors, basedon the transient hot wire technique and suitable for direct measurement of the effectivethermal conductivity of granular media, were tested for application under airless conditions.The investigated media range from compact specimen of well known thermal conductivityused for calibration of the sensors to various granular "planetary analogue" materials ofdifferent shape and grain size. Measurements were performed under gas pressures rangingfrom 10 3 hPa down to about 10 (-5) hPa. It was found that for the inspected granular materialsthe given pressure decrease results in a decrease of the thermal conductivity by about twoorders of magnitude. Furthermore numerical simulations of the measurements with thedifferent sensors have been done. Both, measurements and simulations, revealed that forinvestigations under high vacuum conditions special care has to be taken.eingereicht von Erika Sonja HütterZsfassung in dt. SpracheGraz, Univ., Diss., 2011OeBB(VLID)21533