Density and molar volume of CaO–SiO2–FeO melts measured by electrostatic levitation aboard the International Space Station

Stellen Sie sich eine riesige, schwebende Seifenblase vor, aber statt Seife und Wasser besteht sie aus einer glühenden, geschmolzenen Kugel aus Gestein und Metall. Stellen Sie sich nun vor, diese Blase schwebt mitten in der Internationalen Raumstation, wo die Schwerkraft im Grunde ein Geist ist. Genau das ist in dieser Studie passiert. Wissenschaftler aus Japan nahmen drei verschiedene Rezepte von geschmolzenem Gestein – Mischungen aus Calciumoxid, Siliziumdioxid und Eisenoxid – und schickten sie in den Weltraum, um zu sehen, wie schwer sie waren, wenn sie heiß und verformbar waren.

Warum in den Weltraum? Nun, auf der Erde müssen Sie, wenn Sie die Dichte einer superheißen Flüssigkeit messen wollen, diese normalerweise in einen Behälter geben. Aber heißes Metall liebt es, seinen Behälter zu fressen, oder der Behälter leckt in das Metall hinein, was die Messung verfälscht. Es ist wie der Versuch, eine Scheibe Pizza zu wiegen, während sie noch an der Schachtel klebt; die Schachtel fügt Gewicht hinzu und verändert den Geschmack. Im Weltraum konnten die Wissenschaftler mithilfe eines speziellen Tricks der „elektrostatischen Levitation“ die geschmolzenen Tropfen mit unsichtbaren elektrischen Händen in der Luft halten. Kein Behälter, keine Box, nur reine, schwebende flüssige Gesteinsmasse.

Das Team testete drei spezifische „Sorten“ dieser Schmelze, die als CS20F, CS60F und CS80F bezeichnet wurden. Die Zahlen beziehen sich auf den Anteil an Eisenoxid (FeO) in der Mischung, nämlich 20 %, 60 % und 80 % nach Gewicht. Der Rest war eine 50/50-Aufteilung der anderen beiden Zutaten. Sie erhitzten diese Tropfen mit Lasern, bis sie glühend heiß waren, und ließen sie dann abkühlen, während sie 60 Bilder pro Sekunde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufnahmen. Indem sie beobachteten, wie der Schatten der schwebenden Kugel beim Abkühlen schrumpfte, konnten sie das Volumen berechnen, und da sie das Gewicht der Probe kannten, konnten sie die Dichte ermitteln.

Hier ist, was sie herausfanden:
Erstens: Wenn die Temperatur stieg, sank die Dichte. Es ist wie ein Ballon, der sich ausdehnt, wenn man heiße Luft hineinbläst; die gleiche Menge an Zeug nimmt mehr Platz ein, also wird es weniger dicht. Dies geschah bei allen drei Mischungen in einer geraden Linie.
Zweitens: Bei einer spezifischen Temperatur war die Mischung mit mehr Eisenoxid dichter. Die 8 % Eisen-Mischung war die schwerste, und die 20 % Eisen-Mischung die leichteste.
Drittens: Sie untersuchten etwas, das man „molares Volumen“ nennt, was im Grunde beschreibt, wie viel Platz ein „Mol“ der Mischung einnimmt. Sie fanden heraus, dass, wenn sie mehr Eisen hinzufügten (beim Übergang von der 20 %-Mischung zur 60 %-Mischung), der Platz, den die Mischung einnahm, tatsächlich kleiner wurde. Aber als sie noch mehr Eisen hinzufügten (vom Übergang von 60 % zu 80 %), änderte sich der Platz kaum noch. Es war wie das Zusammendrücken eines Schwamms: Der erste Druck macht ihn kompakt, aber der zweite Druck bewirkt kaum noch etwas.

Die Wissenschaftler verglichen ihre im Weltraum gemessenen Daten mit alten Daten von der Erde und einem einfachen mathematischen Modell, einem „additiven Referenzmodell“. Dieses Modell geht davon aus, dass das Gesamtvolumen beim Mischen zweier Dinge einfach die Summe ihrer Teile ist, wie beim Stapeln von Lego-Steinen. Die Ergebnisse zeigten, dass die echte geschmolzene Gesteinsmasse weitgehend konsistent mit dieser einfachen Lego-Block-Idee war, obwohl sie bei den höchsten Eisenwerten etwas mehr Platz einnahm, als das Lego-Modell vorhersagte.

Wie sicher sind sie sich? In der Arbeit wird angegeben, dass die Messungen eine maximale relative erweiterte Unsicherheit von 3,46 % aufwiesen. Das bedeutet, wenn man die Zahl nimmt, die sie erhalten haben, liegt der wahre Wert wahrscheinlich innerhalb von etwa 3,5 % dieser Zahl. Die größte Quelle dieser winzigen Unsicherheit war nicht die schwebende Kugel selbst, sondern die Messung der Referenzkugel, die zur Kalibrierung der Kamera verwendet wurde. Da die Volumenberechnung vom Durchmesser dieser Referenzkugel hoch drei abhängt (also mit sich selbst dreimal multipliziert wird), wird selbst ein winziges Wackeln bei der Messung der Größe der Referenzkugel massiv verstärkt.

Was haben sie also ausgeschlossen? Sie haben nicht die Idee ausgeschlossen, dass Behälter Messungen verfälschen; tatsächlich haben sie bestätigt, dass behälterlose Methoden für diese hohen Temperaturen notwendig sind. Sie fanden auch nicht heraus, dass sich das Volumen mit dem Eisengehalt wild verändert; stattdessen fanden sie heraus, dass es zuerst stark abfällt und dann abflacht. Sie haben nicht behauptet, dass dies ein perfektes, gelöstes Problem für die gesamte Metallurgie ist, sondern vielmehr, dass sie einen soliden Datensatz für Temperaturen bereitgestellt haben, bei denen werkzeugbasierte Messungen auf der Erde an ihre Grenzen stoßen.

Kurz gesagt: Indem sie geschmolzenes Gestein im Weltraum schweben ließen, gaben die Wissenschaftler uns ein klareres Bild davon, wie sich diese spezifischen Metall-Schlacke-Mischungen verhalten, wenn sie heiß und schwer sind. Sie bestätigten, dass mehr Eisen im Allgemeinen eine dichtere Flüssigkeit bedeutet, aber die Art und Weise, wie das Volumen mit dem Eisengehalt schrumpft, ist keine gerade Linie – es ist eine Kurve, die sich abflacht. Diese Daten stehen nun bereit, um Ingenieuren und Wissenschaftlern dabei zu helfen, den Fluss und die Trennung von Metallen bei Hochtemperaturprozessen zu modellieren, indem sie Zahlen verwenden, die ohne die Störung eines Tiegelgefäßes gemessen wurden.