Diagnostik
Für die Charakterisierung von Ionentriebwerken gibt es eine Reihe von etablierten diagnostischen Methoden, die in den Weltraum-Simulationsanlagen der Arbeitsgruppe zum Einsatz kommen.
Treibstrahldiagnostik
Die Diagnostik des Ionenstrahls (englisch: plume) ist zentral für die Bewertung der Leistungsfähigkeit elektrischer Antriebe, insbesondere zur indirekten Bestimmung des erzeugten Schubs. Relevante Messgrößen sind die räumliche Verteilung der Ionenstromdichte sowie die Energieverteilung der Ionen. Zur Messung kommen verschiedene etablierte Methoden zum Einsatz:
Faraday-Cups: zur Bestimmung der lokalen Stromdichte
Verfahrbare Faraday-Cup-Diagnostik (linker "Turm"), der aus mehr als 50 einzelnen Detektoren besteht, die räumlich aufgelöst ein Ionenstrahlprofil aufnehmen können. Der rechte "Turm" enthält eine sogenannte Kraftsonde, mit der man den Impulsübertrag des Treibstrahls auf eine Kontaktfläche messen kann. Die Kraftsonde basiert auf Arbeiten von Kollegen der CAU Kiel (©IPI/JLU).
Retarding Potential Analyzer (RPA): zur Auflösung der Ionenenergieverteilung über ein einstellbares Gegenfeld
An der JLU entwickelter RPA, der für Messungen am PIPE-Experiment am DESY (PETRA3) entwickelt wurde (©K.Holste)
Parallelplatten-Analysatoren und elektrostatische Ablenksysteme: zur detaillierten Energiespektrumsanalyse und ggf. Winkelverteilung
Funktionsprinzip eines PPAs. Der einfallende Ionenstrahl wird durch das elektrische Feld eines Plattenkondensators abgelenkt. Ionen passender Energie treten durch eine definierte Ausgangsöffnungen aus dem System heraus und können z. B. mit einem Faraday-Cup nachgewiesen werden (©K.Holste).
Diese Verfahren liefern zusammen ein umfassendes Bild des Strahls und sind essenziell für die Triebwerkscharakterisierung sowie Validierung numerischer Modelle.
Direkte Schubmessung mittels Schubwaage
Zur direkten Bestimmung des Schubs werden Schubwaagen eingesetzt. Im EU-Projekt MINOTOR (2017–2019) wurde gemeinsam mit dem DLR Göttingen eine Schubwaage für den Bereich von 0,2 bis 10 mN entwickelt. Die Konstruktion basiert auf einem inversen Pendel, das über eine Voice-Coil aktiv in seiner Gleichgewichtslage gehalten wird.
Bei Schuberzeugung durch das montierte Triebwerk wird das Pendel ausgelenkt. Eine schnelle Regelung steuert die Voice-Coil so an, dass eine exakt entgegengesetzte Kraft erzeugt und das Pendel zurückgeführt wird. Der dafür benötigte Strom ist proportional zum Schub.
Zur Kalibrierung dient eine im Projekt entwickelte Referenzeinheit. Die Pendelbewegung wird interferometrisch gemessen und dient zusätzlich der Regelung und Validierung.
Spektroskopische Methoden
Einblick in den Plasmabereich eines Ionentriebwerks bietet die optische Emissionsspektroskopie (OES). Eingesetzt werden Spektrometer im Bereich von 300–1000 nm, mit denen sich Informationen zu Ladungszuständen, Elektronentemperatur und Ladungsträgerdichten gewinnen lassen – insbesondere im Zusammenspiel mit theoretischen Modellen.
Zusätzliche Diagnostik erfolgt über Langmuir-Sonden, mit denen u. a. Plasmapotenziale und Elektronendichten bestimmt werden können. Der Arbeitsgruppe stehen hierfür sowohl kommerzielle Systeme als auch eigene Entwicklungen zur Verfügung.
Lebensdauertests
Ionentriebwerke sind für lange Betriebszeiten ausgelegt und unterliegen dabei signifikanten Belastungen. Besonders bei Gitter-Ionentriebwerken (GIE) führt die schrittweise Erosion des Extraktionsgitters zur begrenzten Lebensdauer.
Zur Bewertung kommen optische Inspektionsverfahren zum Einsatz, darunter 3D-Profilometrie und telezentrische Mikroskopie mit räumlicher Auflösung. Diese Methoden ermöglichen eine präzise Erfassung von Abnutzung und strukturellen Veränderungen im Mikrometerbereich.