Plasmaantrieb mit neuen Konzepten
Die Grundidee hinter dem EU-finanzierten Projekt NEPTUNE (New generation of ion sources: From deep space missions to upstream nano-technologies) bestand darin, aus einem Niedertemperaturplasma extrahierte Ionen und Elektronen unter Verwendung eines Hochfrequenz-Gitternetz-Systems zu beschleunigen. Dieses neue Konzept kann Schub erzeugen, ohne dass dafür eine zusätzliche Strom- oder Ladungsneutralisation erfordert wird. Insbesondere wird die Selbstvorspannwirkung einer an die Gitter angelegte Hochfrequenzspannung durch Plasmaerzeugen eines konstanten elektrischen Felds, das die Ionen beschleunigt, gleichgerichtet. Gleichzeitig können Elektronen mithilfe der Schwingungen des Plasmapotentials kurz nach dem Zusammenbruch der Ladung extrahiert werden. Der nachfolgende Strahl besteht zum größten Teil aus schnellen neutralen Teilchen und hat eine niedrige Dichte von geladenen Teilchen. Der schwierigste Teil von NEPTUNE bestand in der Entwicklung neuer Plasmastrahl-Diagnose-Tools. Hierfür würden ein verzögernder elektrischer Feldenergie-Analysator, ein kurzer abgestimmter Dipol für Impedanzmessungen und eine Mehrkanal-Ladesonde benötigt. Die Charakterisierung der verschiedenen Ionen- und Elektronenextraktionsschemata ermöglicht die detaillierte Kartierung der Betriebsparameter. Ein bei niedrigen Energien erzeugter kontinuierlicher Ionenionenstrahl wurde als geeignet für tiefes reaktives Ionenätzen für Mikroelektronik und die Oberflächenbehandlung von Lithium-Schwefel-Batterieelektroden befunden. Auf der anderen Seite könnte sich Ion-Ion-Extraktion in Kombination mit hochenergetischer Beschleunigung als nützlich für die Entfernung von Weltraummüll erweisen. Die attraktivste Anwendung des NEPTUNE-Konzepts für alternative Ionen-Elektronen-Extraktion und -Beschleunigung aus einem Niedertemperaturplasma bieten Raumfahrtantriebe. Es wurde bereits im gerasterten Ionentrieb umgesetzt - dem Plasmaantrieb mit elektromagnetischen Gasen (PEGASUS). Diese Methode verbesserte die Systemeffizienz deutlich und erwies sich in Bezug auf Masse und Volumen als kosteneffektiv. Nach einer ausreichenden Verifizierung des Konzepts wurde die NEPTUNE-Quelle für fließendes Plasma im Jahr 2014 patentiert.
Schlüsselbegriffe
Plasmaantrieb, Ionenätzen, Ionen und Elektronen, Ladungsneutralisierung, hochfrequente Spannung
