Herstellung dünner Schichten und Beschichtungen des Elektrids C12A7:e⁻ mittels Laserablation

Partnerfirma: Ariane Group (Standort Lampoldshausen)

Mit der Einführung des „all EP satellites“ durch die Firma Boeing im Jahre 2012, also einer kommerziellen Satelliten-Plattform, die nur mit masseeffizienten elektrischen Raumfahrtantrieben ausgestattet war, hat diese Antriebstechnologie die Schwelle zur Kommerzialisierung überschritten. Diese technologische Revolution im Raumfahrtsektor spiegelt sich auch im Übergang von Old Space zu New Space wider.

Eine Schwäche der aktuell den Markt bestimmenden elektrischen Antriebssysteme (Radiofrequenz-Ionentriebwerke, Hall-Triebwerke, Ionentriebwerke vom Kaufmann-Typ oder auch Feldemissionstriebwerken) ist die Anfälligkeit der Elektronen emittierenden Neutralisatoreinheit.

Die Neutralisatoreinheit ist notwendig, um die positive Ladung des extrahierten, Schub erzeugenden Ionenstrahls des Triebwerks zu neutralisieren und so eine Störung des Satellitenbetriebs durch Aufladungseffekte zu vermeiden.

Im Allgemeinen werden Hohlkathoden-Neutralisatoren eingesetzt, bei denen im Plasma aus keramischen Materialien wie LaB6 oder BaO/W Elektronen extrahiert werden. Aufgrund der immer noch vergleichbar hohen Austrittsarbeiten dieser Emittermaterialien müssen diese im Betrieb auf mehrere hundert Grad Celsius aufgeheizt werden. Dies resultiert in einem hohen - unerwünschten Bedarf - an elektrischer Leistung und einer hohen thermischen Belastung, welche die Neutralisatoreinheit zur Lebensdauer beschränkenden Komponente des Antriebssystems macht. Darüber hinaus sind die gängigen Hohlkathodenmaterialien anfällig gegen Oberflächen­verunreinigungen und insbesondere wohl nicht kompatibel mit dem Alternativtreibstoff Jod für Ionentriebwerke

Das keramische Emittermaterial C12A7:e^-, das inert gegen Jod ist und eine vergleichsweise niedrige Austrittsarbeit aufweist, könnte hier eine vielversprechende Alternative darstellen und wird daher aktuell intensiv als Hohlkathodenmaterial untersucht.

Es zeigt sich allerdings, dass diese Keramik als Volumenmaterial nur sehr eingeschränkte thermische Eigenschaften besitzt. Insbesondere besitzt es eine sehr niedrige thermische Leitfähigkeit. Dies führt dazu, dass die Betriebstemperatur der Hohlkathode schwer zu kontrollieren ist.

Die Projektidee ist, dies zu umgehen. Man verwendet, statt eines vollen C12A7:e^- Hohlzylinders einen mit einer dünnen C12A7:e^- Beschichtung versehenen Hohlzylinder aus einem gut thermisch leitenden Material, z.B. aus einem Metall oder einer anderen Keramik. Der resultierende Hybridzylinder soll die guten Emittereigenschaften des Elektrids C12A7:e^- mit den guten thermischen Eigenschaften des Trägerzylinders verbinden und so einen Einsatz in Hohlkathoden-Neutralisatoren ermöglichen.

Informationen über das Piloprojekt: mail to Daniel Zschätzsch; mail to Malina Reitemeyer