Diffusive properties of the system water/ethanol/triethylene glycol in microgravity and ground conditions

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Triller, Thomas:
Diffusive properties of the system water/ethanol/triethylene glycol in microgravity and ground conditions.
Bayreuth , 2018 . - VI, 171 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

Thermodiffusion (also called Ludwig-Soret effect) describes the dif-fusive motion of molecules due to a temperature gradient and is a typical example of crosscoupling between fluxes in non-equilibrium thermodynamics. Experiments in liquids typically revolve around applying a temperature gradient to a sample and monitoring the concentration changes from the resulting demixing. Since such addi-tional fluxes in a non-isothermal liquid bulk can easily lead to gravi-tational instabilities (convection), measurement of the effect on ground is not always easily possible. Careful experiment design can prevent such instabilities in some cases, but slow advective fluxes are not necessarily detectable in a measurement and can lead to erroneous data. The best option for reliable data is to completely suppress gravitational effects by measuring in microgravity, i.e. aboard the International Space Station. The “Diffusion and thermod-iffusion Coefficients Measurements in ternary mIXtures” (DCMIX) project is an international collaboration between ESA and several research teams to further the understanding of thermo-diffusive processes in ternary liquid mixtures. It tries to compile reference data for different classes of molecular mixtures in microgravity via phase-shifting interferometry, utilizing the Selectable Optical Diag-nostics Instrument (SODI) aboard the space station.
This work presents results obtained from the DCMIX3 campaign, investigating the system water/ethanol/triethylene glycol; the prep-arations, operations and data evaluation are described in detail. Processing of the SODI interferograms has first been implemented and tested on DCMIX1 data, which is compared to results from oth-er DCMIX teams and literature. A special focus is laid on the error propagation in the data; since optical methods detect concentration changes in a sample via refractive index measurements, thermo-physical data of the sample (so-called contrast factors) are neces-sary for this conversion. In ternary mixtures, this involves the inver-sion of a numerically ill-conditioned matrix, which leads to more complexity in the interpretation of results compared to the binary case. The experience from DCMIX1 is then applied to data evalua-tion of DCMIX3, which comprises the first analysis of microgravity data in the system water/ethanol/triethylene glycol. Additionally, ground-measurements have been performed with Optical Beam Deflection (OBD), including the necessary contrast factor measure-ments. This allows for a direct comparison between microgravity and ground results.

Abstract in weiterer Sprache

Thermodiffusion (auch Ludwig-Soret Effekt genannt) beschreibt die diffusive Bewegung von Molekülen aufgrund eines Temperaturgra-dienten und ist ein typisches Beispiel für Kreuz-Kopplungen von Flüs-sen innerhalb der Nichtgleichgewichtsthermodynamik. Die zugehö-rigen Experimente in Flüssigkeiten basieren darauf, dass einer Pro-be ein Temperaturgradient aufgeprägt wird und man die Konzentra-tionsänderungen durch die entstehende Entmischung beobachtet. Da diese zusätzlichen Flüsse innerhalb einer nicht-isothermen Flüs-sigkeit leicht zu Instabilitäten innerhalb des Schwerefelds der Erde (Konvektion) führen können, ist die Messung des Effekts am Boden nicht immer problemlos möglich. Eine entsprechend sorgfältige Planung von Experimenten kann solche Instabilitäten in manchen Fällen verhindern, aber langsame advektive Flüsse sind nicht zwin-gend in einer Messung erkennbar und können zu verfälschten Er-gebnissen führen. Daher ist die beste Option, um verlässliche Daten zu erhalten, Gravitations-Effekte durch Messungen in Mikrogravita-tion, insbesondere auf der Internationalen Raumstation, komplett auszuschalten. Das “Diffusion and thermodiffusion
Coefficients Measurements in ternary mIXtures” (DCMIX) Projekt ist eine internationale Kollaboration zwischen der ESA und mehreren Forschungsgruppen, dessen Ziel es ist das Verständnis von thermo-diffusiven Prozessen in ternären Flüssigkeitsmischungen zu fördern. Es versucht Referenz-Daten zu verschiedenen molekularen Mi-schungen in Mikrogravitation durch Phasenverschiebungs-
Interferometrie zu sammeln; dazu wird das Selectable Optical Diag-nostics Instrument (SODI) auf der Raumstation verwendet.
Diese Arbeit präsentiert Ergebnisse, die im Rahmen der DCMIX3 Kampagne im System Wasser/Ethanol/Triethylenglycol gesammelt wurden; es werden sowohl Vorbereitung und Durchführung der Messungen als auch die Datenauswertung detailliert beschrieben. Die Auswertung der SODI Interferogramme wurde zuerst für DCMIX1 Daten implementiert und getestet, welche mit Ergebnissen anderer DCMIX Teams als auch Literatur verglichen werden. Beson-deres Augenmerk wird dabei auf die Fehlerfortpflanzung in der Ana-lyse gelegt; da optische Experimente Konzentrationsänderungen über Brechungsindex-Messungen detektieren, werden für die Um-rechnung thermophysikalische Eigenschaften der Probe (sogenannte Kontrast-Faktoren) benötigt. In ternären Mischungen muss dazu eine numerisch schlecht konditionierte Matrix invertiert werden, was zu mehr Komplexität bei der Interpretation der Ergebnisse führt, be-sonders im Vergleich mit dem binären Fall. Die Erfahrungen aus DCMIX1 werden bei der Auswertung von DCMIX3 angewandt, wel-che die erste Analyse von Mikrogravitations-Daten im System Was-ser/Ethanol/Triethylenglycol darstellt. Zusätzlich wurden Boden-Messungen mittels Optical Beam Deflection (OBD) durchgeführt, inklusive der notwendigen Kontrast-Faktor Messungen. Dies erlaubt einen direkten Vergleich zwischen Ergebnissen aus Mikrogravitati-ons- und Boden-Messungen.