Auslegung und Bau einer Kryokammer zur Untersuchung von arktischen Meereis- und Sprüheisproben mittels hochauflösender Synchrotron-CT
Im Rahmen eines gemeinsamen Entwicklungsprojekts zwischen der Technisch-Naturwissenschaftliche Universität Norwegens (NTNU), dem Industriepartner Equinor und ANAXAM wurde ein massgeschneiderter Prüfstand in Form einer Kryokammer realisiert, welcher es erlaubt Meereis- und Sprühproben in verschiedenen Temperaturbereichen zu tomographieren.
Im Focus der durchgeführten Untersuchungen standen zweierlei Eistypen:
- Sprüh-Eis
Dieses Eis bildet sich bei starkem Wellengang auf der Luv-Seite von Schiffen und Plattformen (Öl & Gas, Windparks, Fischzucht) in arktischen und subarktischen Gewässern. Es stellt eine Bedrohung für Schifffahrt und Offshore Aktivitäten unter extremen Bedingungen dar, da sich in wenigen Stunden einseitig eine Eisschicht von vielen Zentimetern bilden kann. Die Mikrostruktur dieses Eises, welches sehr viel Salzlösung enthält, ist entscheidend für sein Wachstum und seine Eigenschaften, insbesondere die Adhesion auf Flächen. Das Ziel der Studie war grundlegende Informationen über die Mikrostruktur von salzigem Sprüheis zu gewinnen, um ein neues Modell für das marine Sprüheiswachstum zu formulieren. Sprüh-Eis wurde einerseits im NTNU Eis-Tank erzeugt sowie stammte aus Feldmessungen in der Arktis (Spitsbergen) und der Subarktis (norwegische Fjorde).
- Arktisches Meereis
Die zu untersuchenden Meereisproben stammen von der MOSAiC Expedition, der bislang grössten einjährigen internationalen Expedition in die zentrale Arktis. Ziel der Untersuchung war eine erste detaillierte 3D Aufnahme des Porenraums (Luft, Salzlösung). Die Details dieses Porenraums (Anzahl und Grössenverteilung, Verbindung zwischen Poren) bestimmen die physikalischen Eigenschaften des Meereises, wie etwa die Reflexion von Sonnenstrahlung, die Festigkeit und Elastizität des Eises, sowie auch den für Mikroorganismen zugänglichen Porenraum. Sie beeinflussen damit stark die Rolle des Meereises im globalen Klimasystem.
Die von AMAXAM massgeschneiderte Kryokammer erlaubt es, Eisproben dreidimensional, mittels hochauflösender Synchrotron-CT, zu vermessen. Hierfür ist die Kammer in der Lage, freiprogrammierbare Temperaturkurven bis -25°C zu fahren. Die Temperaturregelgenauigkeit beträgt hierbei ± 0.1°C. Die Kammer wird mittels zweier Peltier-Elemente und Flüssigkeitskühler gekühlt. Im Zentrum der Kammer befindet sich die Rotationsachse mit der Aufnahme für die Proben. Insgesamt wurden so 50 Proben vermessen.
Für dieses Kundenprojekt nutzte ANAXAM die Strahllinie TOMCAT am Paul Scherrer Institut.
Die Synchrotron-Experimente mit hoher räumlicher Auflösung und guter Temperaturkontrolle erlauben uns ein physikalisch konsistentes Modell des Sprüheiswachstums zu entwickeln, welches Kristallgrössen und Orientierung sowie Poren in Betracht zieht. Die Beobachtungen zeigen viele Ähnlichkeiten in der Mikrostruktur von salzigem Sprüheis und Meereis. Dieses Ergebnis führen zu neuen Wegen die physikalischen Eigenschaften beider Eistypen zu modellieren.”
Dr. Sönke Maus, Forscher,Technisch-Naturwissenschaftliche Universität Norwegens (NTNU)
