Verbesserter elektrischer Antrieb durch C12A7:e- in Kathoden und Neutralisatoren
Für Missionen in niedriger Erdumlaufbahn sind in den letzten Jahren elektrische Antriebssysteme im Vergleich zu chemischen immer beliebter geworden. Bei Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn besteht das Risiko eines absinkenden Orbits – der langsamen Verringerung des Abstands zur Erde. Daher sind effiziente Antriebssysteme mit geringer Schubkraft für das „Station-Keeping“ notwendig. Für Kleinsatelliten sind auch weniger sperrige und leichtere Komponenten notwendig. Der Elektroantrieb erfüllt beide Voraussetzungen. Das Hauptproblem ist, das in hochmodernen elektrischen Antriebssystemen seltene und teure Materialien für die Kathoden und Treibstoffe verwendet werden. Im EU-finanzierten Projekt NEMESIS werden beide Probleme mit einem innovativen Kathodenmaterial gelöst, das kostengünstig in Europa aus günstigen, lokal und reichlich verfügbaren Ausgangsstoffen hergestellt werden kann.
C12A7:e- als alternativer Elektronenemitter
Kathodenmaterialien dienen zwei Zwecken. Sie liefern die Elektronen, mit denen die Treibgase beschossen werden, und produzieren positive Ionen, die beschleunigt und ausgestoßen werden, um das Fahrzeug zu bewegen. Bei diesem Vorgang wird das Fahrzeug positiv aufgeladen. Diese Ladung muss mit weiteren Elektronen neutralisiert werden. „In den meisten Kathoden und Neutralisatoren für Elektroantriebe werden derzeit Lanthanhexaboride (LaB6) als Elektronenemitter und Xenon als Treibgas eingesetzt. Lanthanum und Xenon sind selten und teuer – durch diese Probleme wurde der Krieg in der Ukraine verschärft“, erklärt Ángel Post von Advanced Thermal Devices, der Projektkoordinator von NEMESIS. Das NEMESIS-Team arbeitete mit einem neuen Keramikmaterial, C12A7:e-, das nicht nur günstig und reichlich vorhanden ist, sondern auch mit geringeren Temperaturen funktionieren kann. Das senkt den Energiebedarf und die thermische Belastung für die übrigen Komponenten und Teilsysteme des Satelliten. Die Forschenden erwarten, dass es chemisch inerter ist als LaB6, sodass auch andere Treibgase in Frage kommen.
Instabilitäten bei der Elektronenerzeugung durch gepulste Polarisierung gelöst
Das Konsortium hat alle erwarteten Vorteile bestätigt und sogar übertroffen. Die Betriebstemperatur für alternative Elektronenstrahler wurde von 800-1 300 °C auf 200-250 °C gesenkt. Damit sind keine externe Wärmequelle, teure hitzebeständige Materialien in Teilsystemen oder thermischer Strahlungsschutz notwendig. Die Forschenden haben die Kompatibilität mit vielen alternativen Treibgasen nachgewiesen, darunter Argon, Krypton und sogar Ammoniak, sowie das herkömmliche Xenon. Das NEMESIS-Team hat die neuen Kathoden insgesamt Tausende Stunden im Einsatz gehabt: Die Ergebnisse waren in verschiedenen Labors konsistent und wiederholbar. „Wir haben das größte Problem mit C12A7:e- gelöst, nämlich Funken und Instabilitäten durch Ladungsansammlungen an der dünnen dielektrischen Schicht an der Oberfläche des Materials, durch die Fehlfunktionen und sogar Schmelzschäden verursacht wurden. Unsere Lösung – Verfahren zur Ladungskopplung durch gepulste Polarisierung des Materials – wurde patentiert“, berichtet Post. Außerdem entstand durch die gepulste Polarisierung doppelt so viel Emitterstrom, sodass die Elektronenemission bei noch geringeren Temperaturen als in der Literatur angegeben gestartet werden konnte. Mehrere Prototypen wurden entwickelt und erfolgreich mit Xenon, Argon, Krypton, Jod und Ammoniak als Treibstoff getestet. Diese wurden erfolgreich mit kommerziellen Hallantrieben gekoppelt und erzielten hohe Gütezahlen zur Leistung.
Europäische Unabhängigkeit bei kostengünstigen Satellitenantrieben
NEMESIS hat die Ergebnisse in der europäischen Raumfahrtindustrie bei 24 Präsentationen bei neun internationalen Konferenzen und Workshops sowie mit acht von Fachleuten begutachteten Veröffentlichungen vorgestellt, um die schnelle Annahme und Wettbewerbsfähigkeit zu fördern. Seit Projektende wurden drei Nachfolgeprojekte gestartet und zwei Kooperationsvereinbarungen mit der Industrie unterzeichnet. Bald kommen in Europa auf dem florierenden Markt für Kleinsatelliten kostengünstige, energiesparende elektrische Hochleistungs-Antriebe auf, für mehr Wettbewerbsfähigkeit in einem wachsenden globalen Markt.
Schlüsselbegriffe
NEMESIS, Antrieb, elektrischer Antrieb, Satellit, Treibstoff, Kathoden, Elektronenstrahler, gepulste Polarisation, Keramik, niedrige Erdumlaufbahn
