Laufzeit: 01.01.2012 - 31.12.2014

Antragsteller: Justus-Liebig-Universität Gießen

Partner: Technische Hochschule Mittelhessen; Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik; Gesellschaft für Schwerionenforschung

Koordinatoren: Prof. Dr. Peter J. Klar, Dr. Davar Feili

Aufbau

Unten finden Sie Informationen zu den einzelnen Projekten. Zu jedem Projekt gibt es ein oder mehrere Poster, die durch Anklicken des jeweiligen Titels als pdf-Dateien geöffnet werden können.

Projektbereich A: Radio-Frequenz-Ionen-Triebwerke (RIT)

Projektleiter: Dr. Davar Feili, Prof. Dr. Bruno K. Meyer

Eine neue, voll flugtaugliche RIT-Triebwerksklasse mit reduziertem und äußerst präzisem Schub im µ-Newtonbereich wird entwickelt und optimiert und als flugtauglicher Demonstrator konzipiert und qualifiziert. Außerdem werden konzeptionelle Studien für ein Großtriebwerk durchgeführt, um die bemannten Missionen mit Ionenstrahltriebwerken an vorderster Forschungsfront mitgestalten zu können. Prinzipiell sind RIT-Triebwerke nicht auf Xenon als Treibstoff angewiesen, d.h., sie können auch mit anderen Gasen betrieben werden.  Dies ist die Grundlage des ESA RAM-EP-Konzepts für in den höheren Atmosphäreschichten wieder auftankbare Ionentriebwerke, z.B. für erdnah fliegende Erdbeobachtungssatelliten. Hierzu können RIT-Triebwerke konzeptionell angepasst werden.

Poster "Kleinsttriebwerk µN-RIT"
Poster "Großtriebwerke RIT>40"
Poster "Luftatmende Triebwerke: RAM-EP"

Projektbereich B: Plasma- und Ionendiagnostik

Projektleiter: Dr. Davar Feili, Prof. Dr. Alfred Müller, Prof. Dr. Stefan Schippers, Dr. Peter Spädtke

Zur Qualifizierung eines Triebwerks sind Diagnostik, Performance- und Langzeittests unerlässlich. Für die neuen µNRIT-Triebwerke muss eine komplett neue Ionen- und Plasmasonden-Diagnostik konzipiert und aufgebaut werden. Zur Plasmauntersuchung muss eine das Plasma nicht störende Untersuchungsmethode (Laser- oder Mikrowellenstrahlen) adaptiert werden, damit die räumliche und energetische Verteilung der Plasmaparameter (Dichte, Elektronentemperatur etc.) nicht-invasiv bestimmt und dann theoretisch modelliert werden kann. Die experimentelle Diagnostik stellt die wesentlichen Kenngrößen über das Plasmaverhalten, Ionisations- und Neutralisationsverhalten der Antriebsgase zur Verfügung, die als Eingangsparameter in die numerische, theoretische Simulation der Triebwerke eingehen.

Poster "Erzeugung intensiver Elektronen- und Ionenstrahlen"
Poster "Charakterisierung von Ionenstrahlen"
Poster "Plasmadiagnostik"
Poster "Ionenstrahldiagnostik"

Projektbereich C: Plasmamodellierung

Projektleiter: Prof. Dr. Christian Heiliger, Prof. Dr. Markus Thoma

Eine theoretische Beschreibung auf Basis eines "particle in cell" Programms zur Beschreibung der Trajektorien geladener und ungeladener Teilchen in Verbindung mit Monte-Carlo-Verfahren zur Beschreibung von Stößen wird entwickelt. Realistische Streuquerschnitte der Ionisation und der Umladung werden experimentell bestimmt und in das Modell implementiert. Das Programm ermöglicht, sowohl Ionen-Material-Wechselwirkungen wie Abtragsraten von Materialien als auch Plasmen in Triebwerken zu simulieren (Kopplung zu den Bereichen B und D).

Poster "Plasmamodellierung"

Projektbereich D: Wechselwirkung Ionen/Plasma-Material

Projektleiter: Dr.-Ing. Klaus Hannemann

Neben der eigentlichen Miniaturisierung der Triebwerke ist eine zweite wichtige Fragestellung die nach der sogenannten „Spacecraft Electric Propulsion Interaction“ (SC/EP-Wechselwirkung). Dabei geht es um die Wechselwirkung des Triebwerks mit dem Raumfahrzeug (z.B. Satelliten). Insbesondere werden bei einem Plasmatriebwerk Xenon-Ionen aus dem Triebwerk beschleunigt, die dann auch auf Komponenten des Raumfahrzeugs treffen und diese beschädigen könnten. Um die Weltraumbedingungen zu simulieren, werden die Triebwerke in großen Vakuumtanks getestet. Das typische Vakuum dieser Weltraumsimulationstanks ist mit 10-7 mbar noch deutlich schlechter als im Weltraum. Dies und die endliche Tankausdehnung müssen bei der Ergebnisanalyse berücksichtigt werden.

Poster "Beispiel für eine Zusammenarbeit von DLR Göttingen und JLU Giessen - Gemeinsame Untersuchung von Beaufschlagungsproblemen"

Projektbereich E: Elektronik und Elektro-Magnetische Verträglichkeit (EMV)

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Ubbo Ricklefs, Prof. Dr.-Ing. Uwe Probst, Prof. Dr. Rainer Thüringer

Die Flughardware bestehend aus der Hochfrequenz-Elektronik für die Plasma-Entladung, Hoch- und Niederspannungsversorgung für die Extraktionsgitter, die Steuerung der Gasflüsse etc. muss für die Triebwerke adaptiert werden. Die Sachkompetenz und Leitung dieses Aufgabenbereichs obliegt der FH-Gi-Fb. Sie entwickelt Ersatzschaltungen, die reale Triebwerkscharakteristiken nachbilden und die Triebwerke bei der Adaptierung der Steuerelektronik ersetzen können. Außerdem plant, kauft und modifiziert sie in Kooperation und Abstimmung mit der Fa. APCON kommerzielle Komponenten für die Flugelektronik. RIT-Ionenantriebe inklusive Ansteuerelektronik müssen hinsichtlich ihres Abstrahlverhaltens im Frequenzbereich 30 MHz bis 3 GHz vermessen werden, um wechselseitige Einflüsse der Komponenten (EMV) auszuschließen und ihre Störanfälligkeit zu minimieren. Das Einbringen der Kompetenz der FH-Gi-Fb ist wesentlich zum Erreichen des angestrebten Ziels flugtauglicher Demonstratoren.

Poster "Vorarbeiten"
Poster "Labore EMV/Leistungselektronik"

Projektbereich F: Neue Konzepte (Neutralisatoren, Feldemitter)

Projektleiter: Prof. Dr. Peter J. Klar, Prof. Dr. Jürgen Janek

Erfahrungen im Bereich der Materialwissenschaften und der Mikro- und Nanotechnologie sollen in innovativen Konzepten für miniaturisierte elektrische Triebwerke münden: Ersetzen von Peripheriekomponenten konventioneller Triebwerke durch leichtere wie z.B. MEMS-basierte Komponenten. Neue Konzepte für Ionentriebwerke setzen zum einen auf Kolloidantriebe auf Basis von Feldemission (field-effect electric propulsion, FEEP), zum anderen auf Antriebe auf Basis nanostrukturierter Festkörperionenemitter wie Yttrium-dotiertem Zirconiumdioxid (YSZ). Hierbei soll ein hoher Ionisierungsquerschnitt durch geeignete Materialentwicklung, durch gezielte Optimierung der Morphologie (hohes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis, Feldüberhöhung an Nanostrukturen mit kleinsten Krümmungsradien) und durch Kontrolle der Elektronenaffinität als Oberflächeneigenschaft der Nanostrukturen erzielt werden.

Poster "Miniaturisierte Kolloid-FEEP-Antriebe aus SU-8"
Poster "O^-- Festkörperionenemitter aus YSZ"

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