Materialeigenschaften von kometarem Eis

Die ESA wird im Jahre 2003 die Sonde Rosetta zu einem periodischen Kometen starten, um dort eine Landesonde abzusetzen. In Zusammenhang mit dem Experimentpaket MUPUS und in Fortsetzung vergangener Laborexperimente, in denen die Wärmeleitfähigkeit und die Temperaturverteilung von porösem Wassereis unter Weltraumbedingungen gemessen worden sind, wird die Fragestellung untersucht, wie sich die poröse Mikrostruktur auf die makroskopischen physikalischen Eigenschaften auswirken. Neben mechanischen Eigenschaften sind insbesondere thermische Größen von Interesse, da diese maßgebend für die Evolution kometarer Körper sind.

Laborexperimenten haben gezeigt, daß in porösen, granularen Eis zwei Mechanismen des Wärmetransports zu berücksichtigen sind: (1) Wärmeleitung über die feste Eismatrix und die Kornkontakte und (2) Diffusion von sublimiertem Wasserdampf im Porenraum. Zum Verständnis beider Mechanismen müssen neben der Porosität weitere strukturelle Parameter berücksichtigt werden: Im ersten Fall sind dies "relative" geometrische Größen, nämlich das Verhältnis der Kontaktfläche der Körner zur Korngröße, das wiederum in Beziehung zur Korngestalt steht; im zweiten Fall "absolute" Größen, nämlich die Porendimensionen.

Gemessene Wärmeleitfähigkeiten lassen sich durch einfache geometrische Modelle anpaßen. Damit kann man Abschätzungen über Größen wie Porosität, Korngestalt, Kontaktflächen, Porenradien und Tortuosität gewinnen. Da aber eine Vielzahl von Parametern involviert ist, läßt sich nicht eindeutig feststellen, welche Modelle tatsächlich relevante Zusammenhänge zwischen makroskopischer Wärmeleitfähigkeit und mikroskopischen Strukturgrößen zeigen. Eine numerische Studie an zweidimensionalen Dünnschnitten poröser Eisproben soll deshalb die wichtigen mikroskopischen Parameter und Modelle validieren.

Drittmittelgeber:

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR

Beteiligte Wissenschaftler:

Prof. Dr. Tilman Spohn (Leiter), Tom Keller, Dr. Karsten Seiferlin

Veröffentlichungen:

Keller, T., U. Motschmann, L. Engelhard: Modelling the Poroelasticity of Rocks and Ice. Geophysical Prospecting, submitted, 1998.