MIRAH - der Isotopensammler auf dem Höhenforschungsflugzeug HALO

Funktionsprinzip

Die Funktion von MIRAH (Measurements of Stable Isotope Ratios in Atmosphperic Trace Gases on HALO) besteht im Nehmen von Außenluftproben und deren Speicherung in SulfinertTM-beschichteten Probenahmebehältern. Maximal 24 Außenluftproben sind während eines Flugs möglich. Die Luftproben werden bei erfolgreicher Befüllung der Probenahmebehälter später im Labor auf stabile Kohlenstoff-Isotopenverhältnisse in flüchtigen organischen Verbindungen (VOC, engl. volatile organic compounds) analysiert.

Der Ablauf der Luftprobennahme (Sammel-Modus) ist wie folgt:
Die beiden Behältermodule bestehen jeweils aus 12 bedruckbaren zylindrischen Probenahmebehältern aus Edelstahl 304L (Hoke, Bad Vilbel) mit einem maximalen Betriebsdruck von 15 bar. Die Oberfläche der Innenseite ist SulfinertTM-beschichtet (Restek GmbH, Bad Homburg). Die Beschichtung sorgt für eine Passivierung der Metalloberflächen gegen aktive, polare und korrosive Luftkomponenten. Der Membran-Kompressor (KNF Neuberger) füllt mittels dreier vorgeschalteter Membranpumpen (Vacuubrand) jeweils einen Probenahmebehälter bis ca. 15 bar mit Außenluft. Hierzu öffnet die Elektronikeinheit das elektromagnetische Ventil (GEMS) an der Eingangsseite des zu füllenden Probenahmebehälters und schließt gleichzeitig die Auslassleitung mittels eines weiteren elektromagnetischen Ventils. Wird der Fülldruck von 15 bar absolut erreicht, schließt automatisch das elektromagnetische Ventil am Behältereingang die Luftzufuhr zum Behälter ab, während das elektromagnetische Ventil in der Ausgangsleitung die Abgasleitung wieder freigibt. Sollte der Fülldruck nicht erreicht werden, wird das elektromagnetische Ventil am Eingang des entsprechenden Luftprobenahmebehälters automatisch nach 5 Minuten geschlossen und der Vorgang abgebrochen. Dies deckt eventuell auftretende Probleme mit der Druckabschaltung oder durch vorhandene Lecks ab. Zusätzlich zu diesem Automatikmodus gibt es die Möglichkeit, die elektromagnetischen Ventile manuell anzusteuern. Der Füllvorgang eines Behälters kann hierbei wiederum automatisiert über die Druckabschaltung oder manuell per Schalter beendet werden.

Eine der insgesamt drei Membranpumpen ist permanent in Betrieb (Spül-Modus). Dadurch wird ein kontinuierliches Spülen des Leitungssystems erreicht. Zur späteren Analyse des Vorgangs werden der Druck, der Status der elektromagnetischen Ventile sowie einige weitere Housekeeping-Signale (z.B. Temperaturen) gespeichert.

MIRAH ist ein Stand-Alone-System, das mit 115V/200V, 400 Hz, 3 Phasen betrieben wird. Das System ist über einen mobilen Laptop ansteuerbar. Es wird in zwei R-228-T-Racks (DLR, Oberpfaffenhofen) im HALO-Gepäckraum integriert. Das MIRAH-Rack-1 beinhaltet die zwei Behältermodule mit jeweils 12 Probenahmebehältern. In MIRAH-Rack-2 befinden sich die Kompressoreinheit, der Membranpumpeneinschub, die RPDB_AC sowie der Elektronikeinschub.

Für die ersten HALO-Demonstrationsmissionen wird ein HALO-Standardeinlass mit einer Pylonhöhe von 35cm verwendet. Die Einlassleitung ist rückwärts gerichtet und besteht aus einem 1/4" AD SulfinertTM-beschichtetem Edelstahlrohr.

Um auch reaktive Substanzen später im Labor auf stabile Kohlenstoff-Isotopenverhältnisse in VOCs messen zu können, ist es u. U. notwendig, das in der Außenluft vorhandene Ozon vor der Sammlung in den Probenahmebehältern zu entfernen. Dies geschieht durch eine Einlassrohr-Heizung, i.e. ein Stück (ca. 1 m) bis ca. 100°C beheizbare Edelstahlrohrleitung, deren Innenoberfläche nicht passiviert ist. Die Heizung wird während eines Flugs bei ca. 70°C betrieben.

Die elektrische Versorgung erfolgt über die in MIRAH-Rack-2 untergebrachte RPDB_AC. Die Primär-Spannungsversorgung ist 115V/200V, 400Hz, 3 Phasen. Der Energiebedarf beläuft sich auf 650W im Spül-Modus, i.e. permanent, und intermittierend für einige Minuten auf 1200W im Sammel-Modus.

Der Luftprobensammler MIRAH als CAD-Zeichnung.

Animation: Marc Krebsbach

MIRAH-Kompressoreinheit

Animation: Marc Krebsbach

MIRAH-Membranpumpeneinschub

Animation: Marc Krebsbach

MIRAH-Elektronikeinschub

Animation: Marc Krebsbach

MIRAH-Behältermodul

Animation: Marc Krebsbach