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Kooperationen & Projekte

Forschungsaktivitäten finden heutzutage oftmals im Verbund mit anderen Forschungseinrichtungen statt, was eine Folge des hohen Grades der Spezialisierung dieser Institutionen auf bestimmten Fachgebieten ist. Die folgende Auflistung gibt einen Überblick über laufende und vergangene Projekte unter Beteiligung der AG Ionentriebwerke:

 

  • Im Rahmen des Projekts MASELTOF (Massenspektrometrie an Elektrospray-Emittern mittels Time-of-Flight-Messungen) fördert das DLR (Fördergeber: BMWi) den Aufbau einer hochpräzisen Triebwerksdiagnostik
  • Das Forschungsvorhaben zielt darauf ab, ein Flugzeit-Massenspektrometer für die Untersuchung von Elektrospray-Ionenquellen aufzubauen. Elektrospray-Ionenquellen sind ein Antriebskonzept für kleinste Satelliten. Sie basieren auf der Beschleunigung von elektrisch geladenen Teilchen, die aus einer ionischen Flüssigkeit extrahiert werden. Aus einer solchen Flüssigkeit können sowohl einzelne Ionen als auch größere geladene Tropfen gezogen werden. Für die Verwendung als elektrischer Raumfahrtantrieb ist es wichtig, die Größe der extrahierten Partikel, also deren Masse-zu-Ladungs-Verhältnis zu kennen, da man so den spezifischen Impuls des Antriebs ermitteln kann. Der spezifische Impuls ist eine wichtige Kenngröße für die Effizienz eines Raumfahrtantriebs.
  • Im Vorhaben sollen miniaturisierte Elektrospray-Ionenemitter untersucht, werden die mit der Methode der dreidimensionalen Zwei-Photonen-Lithographie im Mikro- und Nanostrukturierungslabor der JLU hergestellt werden. Diese Emitter werden lithographisch in den Photolack SU-8 geschrieben, wobei Silizium-Wafer als Substrat verwendet werden. Als Treibstoff werden ionische Flüssigkeiten wie EMIM-BF4 verwendet. Die mit der 3D-Lithografie als Freiformen ausgebildeten Extraktionskapillarstrukturen können nach dem Konzept des scaling up by numbering up als Basis für größere Anordnungen von Emittern verwendet werden, so dass sich verschiedene Schubbereiche über die Anzahl der Emitter erreichen lassen. Die Herausforderung bleibt, einzelne Emitter zu charakterisieren, die einen Schub im Sub-µN-Bereich aufweisen. Hierzu wird ein Flugzeit-Massenspektrometrie-Messaufbau entwickelt. Die Flugzeitmessung soll über Mikrokanalplatten-Detektoren (micro channel plate, MCP) erfolgen, die eine Sensitivität von einzelnen auftreffenden Teilchen haben. Diese Detektoren liefern ein Stop-Signal der Flugzeitmessung. Ein entsprechendes Startsignal wird durch einen Hochspannungspuls erzeugt, der einen kleinen Ausschnitt des kontinuierlichen Ionenstrahls auf den MCP-Teilchendetektor lenkt.
  • Die Projektdauer beträgt ein Jahr, die Fördersumme beträgt 70.821,18 €.
  • Fkz: 50RS2101
  • Bewilligungszeitraum: 2021-08-01 bis 2022-07-31
  • Das Projekt wird explizit von Studierenden bearbeitet werden. Interessierte Studierende können sich bei den Leitern der Arbeitsgruppe melden.
  • Gitterionentriebwerke erzeugen Schub, indem Ionen aus einem Plasma mit Hilfe elektrostatischer Felder über ein Gittersystem ausgestoßen werden. Dieses Gittersystem verändert sich während des Betriebs durch fortlaufende Erosionsprozesse (Sputtern). Dadurch wird die Funktionalität des Triebwerks im Laufe der Zeit immer schlechter, bis es irgendwann gar nicht mehr funktioniert. Die Stabilität des Gittersystems ist daher maßgeblich für die Lebensdauer eines Ionentriebwerks verantwortlich. Trotz der Erosion der Gitter bewegt sich die Lebensdauer in der Größenordnung von vielen Tausend Stunden. Für die Bestimmung der Lebensdauer ist es folglich nicht zielführend, ein Triebwerk für solch lange Zeiträume im Labor zu betreiben.
  • Um dennoch Aussagen über die Lebensdauer zu treffen zu können, werden Modellierungen durchgeführt. Diese werden mit experimentellen Daten verglichen, die in einem kürzeren Zeitraum gewonnen wurden. Die Lebensdauer wird bei positiver Validierung aus dem Modell berechnet.
  • Im Rahmen des ESA-Projekts "Lifetime Evaluation of Low-Power Ion Thrusters" wird ein solcher Langzeittest mit kleinen Triebwerken (µN-Schubklasse) von ArianeGroup (Modell: RITµX) durchgeführt und werden die gemessenen Gittererosionen mit Modellrechnungen von Kollegen des Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V. verglichen. Bei diesem Test werden beide RIT-µX für 2000 Stunden parallel in der Weltraumsimulationsanlage JUMBO bei verschiedenen Schüben betrieben. Alle 500 Stunden werden die Gitter der Triebwerke mit Hilfe verschiedener optischer Methoden genau analysiert.
  • ESA contract no. 4000127019/19/NL/RA/va
  • Projektpartner: ArianeGroup GmbH, Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung IOM, TransMIT GmbH (bis Ende 2020), Justus-Liebig-Universität Gießen (Federführung)
  • Um die Wettbewerbsfähigkeit Europas auf dem globalen Satellitenmarkt zu fördern, wird die erste europäische Plug-and-Play-Plattform für standardisierte elektrische Ionentriebwerke (GIESEPP), die mit Ionentriebwerken der ArianeGruppe (mit Option auch alternative Triebwerkstypen einzusetzen) arbeitet, im Rahmen des GIESEPP-MP-Projekts weiterentwickelt, das durch das Horizon 2020-Rahmenprogramm der Europäischen Union finanziert wird. Die Abkürzung steht für Gridded Ion Engine Standardized Electric Propulsion Platform - Medium Power Solution. Triebwerke dieser Leistungsklasse sind besonders für geostationäre (GEO, 36.786 km) und mittlere (MEO, 2.000 - 36.000 km) Erdumlaufbahnen geeignet.
  • Elektrische Antriebe verwenden ihren Treibstoff effizienter im Vergleich zu chemischen Antriebssystemen und ermöglichen drastische Gewichts- und Volumeneinsparungen, reduzierte Kosten für die Trägerrakete und höhere Einnahmen für die Betreiber aufgrund der höheren Nutzlast, die durch elektrische Antriebe ermöglicht wird. Ein hochmodernes europäisches Ionentriebwerk mit Gitterstruktur wird Europa in die Lage versetzen, in diesem weltweit wachsenden Markt nicht nur zu konkurrieren, sondern auch eine Führungsrolle zu übernehmen. Es wird erwartet, dass das Marktvolumen von Einzelverkäufen auf mindestens zweistellige Systemzahlen pro Jahr für Telekommunikations-, Navigations- und Wissenschaftssatelliten ansteigt. 
  • In der Praxis bedeutet dies, dass Gewicht und Volumen von schweren GEO-Satelliten erheblich reduziert werden können, um mehr Nutzlast wie z.B. zusätzliche Transponder in den Orbit transportieren zu können. Gleichzeitig können winzige LEO-Satelliten mit einem High-End-Antriebssystem ausgestattet werden, ohne dass die Trägerraketen ihre Vorteile verlieren.
  • Das Projekt zielt darauf ab, die Entwicklungen des zuvor geförderten Projekts GIESEPP fortzuführen, das darauf abzielte, eine modulare Antriebslösung bis zu einem technischen Bereitschaftsgrad von TRL5 in ihren verschiedenen Konfigurationen für LEO-, GEO- und Weltraumforschungsmissionen zu bauen und zu testen. Das neu strukturierte Konsortium wird ein prototypisches System in einer relevanten Umgebung (wie sie im Weltraum vorliegen) bis TRL 6/7 demonstrieren und vorqualifizieren.
  • Projektkoordinator Cyril Dietz, ArianeGroup GmbH: "Der modulare Ansatz, der sowohl eine Skalierung in den Leistungsstufen als auch die Austauschbarkeit der Kernkomponenten ermöglicht, ist bereits auf weltweites Interesse gestoßen. Daher freuen wir uns darauf, ihn mit den wichtigsten Akteuren der Community abzustimmen und damit auf den Markt zu gehen."
  • Laufzeit: 1.1.2021 - 31.12.2023
  • Grant ID: 101004349
  • Fördersumme: 5.886.210,00 € (Gesamtbudget)
  • EU-Anteil: 4.165.047,00 € (Gesamtprojekt)
  • Projektpartner: ArianeGroup GmbH, Airbus Defence and Space SAS, Aerospazio Tecnologie SRL, Justus-Liebig-Universität Gießen, Computadoras Redes E Ingenieria SA, WIT Berry
  • Weitere Informationen: https://cordis.europa.eu/project/id/101004349

 

 

 

  • Elektride sind ionische Verbundmaterialien, die aus elektrisch positiv und negativ geladenen Ladungsträgern aufgebaut sind, wobei Elektronen als Anionen dienen. Im EU-Projekt NEMESIS (Novel Electride Material for Enhanced electrical propulsion Solutions) werden auf Basis dieser Elektride Kathodensysteme entwickelt, die u.a. als Elektronenquelle für Neutralisatoren dienen können, die zum Betrieb einen Ionentriebwerks benötigt werden. Das Elektrid C12A7:e- hat hierfür optimale Eigenschaften, da es über eine hinreichend geringe Austrittsarbeit von Elektronen verfügt, so dass die für eine thermionische Emission benötigten Kathodentemperaturen technisch einfach zu realisieren sind.
  • Laufzeit: 1.10.2019 - 30.9.2022
  • Grant ID: 870506
  • Fördersumme: 970.446,25 € (Gesamtprojekt)
  • Projektpartner: Advanced Thermal Devices S.L. (Prime, Spanien), Universidad Politecnia de Madrid (Spanien), JLU Gießen, Exotrail (Frankreich), FOTEC (Österreich)
  • Weitere Informationen: https://cordis.europa.eu/project/id/870506/de
  • Projektseite: https://www.nemesis-space.eu

  • Inmitten eines dynamischen Satellitenmarktumfelds zielt der jodgespeiste (iodine fed) Advanced Cusp Field Thruster (iFACT) darauf ab, den Status quo in der elektrischen Antriebstechnik zu verändern. Der Advanced Cusp Field Thruster (ACFT) wurde 2017 von Airbus entwickelt. Seine Merkmale bieten ein erhebliches Potenzial für Einfachheit, Effizienz und niedrige Kosten in elektrischen Antriebssubsystemen. Die Schubdüse ist leicht zu zünden und für den Betrieb mit Jod optimiert. Die Aussichten für Jod als neuartiges Treibmittel und für das ACFT als Hauptantrieb, der die bisherige Technologie ersetzen soll, werden neben anderen Schwerpunktbereichen im Rahmen des von der EU finanzierten iFACT-Projekts weiter untersucht werden.
  • Laufzeit: 1.1.2020 - 31.12.2021
  • Grant ID: 870336
  • Fördersumme: 1.999.595,00 € (Gesamtprojekt)
  • Projektpartner: Airbus Defence & Space GmbH (Prime, Deutschland), Airbus Defence & Space SAS (Frankreich), EASN Technology Innovation Services BVBA (Belgien), University of Southampton (UK), Fraunhofer Gesellschaft (Deutschland), Aerospazio Tecnologie SRL (Italien), JLU Gießen, Endurosat AD (Bulgarien)
  • Weitere Informationen: https://cordis.europa.eu/project/id/870336/de
  • Projektseite: https://www.epic-ifact.eu/de

 

  • Elektrische Raumfahrtantriebe sind - wie alle elektrischen Geräte - Quellen und Senken für elektromagnetische Felder. Quellfelder können mit anderen Komponenten eines Satelliten derart wechselwirken, dass es zu Fehlfunktionen kommen kann, wodurch die Funktionsfähigkeit des Satelliten nicht mehr gegeben ist. Andererseits können Satellitenkomponenten durch Störemissionen zu Fehlfunktionen der Triebwerke führen. Um diese Fehlerquellen einschätzen zu können, ist eine Untersuchung der Antriebe unter Gesichtspunkten der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) zwingend notwendig. Leider gibt es weltweit nur wenige Testanlagen, die es erlauben, Weltraumantriebe unter Betriebsbedingungen auf elektromagnetische Kompatibilität zu untersuchen. Das Deutsche-Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) fördert daher Aktivitäten der AG Ionentriebwerke (Laufzeit: 07/2019-06/2022), eine entsprechende Testanlage aufzubauen, die auf dem Prinzip der Modenverwirbelungskammer basiert.
  • Der Deutsche Akademische Austauschdienst (DAAD) fördert über einen Zeitraum von drei Jahren (2018-2020) einen personenbezogenen Austausch von Doktoranden zwischen der Daniel Guggenheim School of Aerospace Engineering (Gruppe von Prof. Mitchell Walker, GeorgiaTech, Atlanta, USA) und der AG Ionentriebwerke der JLU. Im Rahmen dieses Austauschs besuchte eine kleine Delegation der JLU 2018 das High-Power Electric Propulsion Lab in Atlanta (http://hpepl.ae.gatech.edu/). Im Juni 2019 besuchte ein Doktorand der GeorgiaTech die JLU. Ziel des Projekts ist die Untersuchung von sog. "Facility"-Effekten, d.h. dem Einfluss der Weltraumsimulationsanlage auf das Ionentriebwerk, um Aussagen über die Vergleichbarkeit von Testmessungen treffen zu können. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu einer Standardisierung von Testbedingungen.
  • Das EU-Projekt MINOTOR (Magnetic Nozzle Thruster with Electron Cyclotron Resonance") ist ein von der Europäischen Union im Rahmen des H2020-Programms gefördertes 3-jähriges Forschungsvorhaben (Laufzeit: 2017-2019) mit dem Ziel, ein neuartiges elektrisches Antriebskonzept auf ein Technology Readiness Level von 4 bis 5 zu bringen. Das Antriebskonzept basiert auf der Erzeugung eines Xenon-Plasmas mittels einer Mikrowellenanregung der Plasmaelektronen unter Ausnutzung der Elektron-Zyklotron-Resonanz und dem Ausstoß des Plasmas durch eine magnetische Düse. Dadurch, dass Plasma ausgestoßen wird, welches elektrisch neutral ist, wird neben einer Reihe von weiteren Vorteilen kein Neutralisator benötigt. Neutralisatoren sind eine der kritischen Komponenten eines Ionentriebwerks, da sie hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Das MINOTOR-Konsortium besteht aus 7 Projektpartnern aus insg. 4 Ländern: ONERA (Frankreich, Federführung), Universität Carlos III zu Madrid (Spanien), Thales Group (Frankreich), Thales Alenia Space Group (Belgien), Safran (Frankreich), L_UP (Frankreich), JLU (Deutschland).
  • Das Projekt "Investigations of Plasma Generation and Acceleration Mechanisms in Miniature Capacitive Radio-Frequency Thrusters"  (Laufzeit: 2017 - 2019) ist ein von der German-Israeli Foundation for Scientific Research and Development (GIF) gefördertes Projekt von JLU und der Technischen Universität Israels (Technion) mit Sitz in Haifa.
  • Das Deutsche-Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) fördert seit 2015 Aktivitäten im Bereich der Suche nach alternativen Treibstoffen für Ionentriebwerke. Diese finden statt in Zusammenarbeit mit der AG von Prof. Schreiner vom Institut für Organische Chemie der JLU. Untersucht wird die Verwendung von Diamantoiden wie z.B. Adamantan als potentiellen Treibstoff. Unter Diamantoiden versteht man eine Stoffklasse von gesättigten Kohlenwasserstoff-Molekülen, die sich durch eine hohe chemische Stabilität und leichte Ionisierbarkeit auszeichnen. Neben den Diamantoiden werden Diamantoid-Derivate untersucht, aber auch andere Stoffe, wie z.B. molekulares Jod, das ähnliche physikalische Eigenschaften aufweist.
  • Die Standardisierung von Testanlagen und Diagnostiken ist ein wichtiges Thema im Bereich der Ionenantriebe, um eine bessere Vergleichbarkeit von Messungen an Triebwerken in verschiedenen Weltraum-Simulationsanlagen zu ermöglichen. Im Rahmen des ESA-Projekts "Qualification of the AEPD System as a Standard On-Ground Tool for Electric PropulsionThrusters" kamen verschiedene Standard-Diagnostiken in verschiedenen Vakuum-Testanlagen mit verschiedenen Typen von Ionentriebwerken zum Einsatz, um die Vergleichbarkeit von Messmethoden und Vakuumanlagen besser beurteilen zu können. Das Projekt wurde in Zusammenarbeit mit Aerospazio (Italien), dem Institut für Oberflächenmodifizierung Leipzig, der Christian-Albrechts-Universität Kiel, Airbus D&S (Deutschland), dem Centre Nationale de la Recherche Scientifique (Frankreich), Space Enterprise Partnership (UK) und ESA/ESTEC (Niederlande) durchgeführt.