Elektrische Antriebe und Zukunftskonzepte

• Hoher Strom erzeugt hohes Magnetfeld rot(B)=myh_0*j
• Lorentz Kraft mit "Self-field" schrumpft Strom in Radialrichtung
• Druck steigt -> mehr Aufheizung
• --> Hohe Ströme sind gut!

Funktion:

• Externe Energiequelle
• Infrastruktur auf Erde notw.
• Nur effektiv im LEO
• Gut für LEO->GEO (20Tage)
• niedr. Masse Refelctoren noch in Entwicklung

"magnetoplasmadynamic Thruster"

Funktion

• trichterförmigen Anode,

• in deren Mitte eine stabförmige Kathode angebracht ist.

• elektrische Spannung zwischen den beiden Elektroden angelegt,

• wird die sich im Trichter befindende Stützmasse ionisiert

• erlaubt so einen Stromfluss radial durch das Gas zur Kathode.

• Stromfluss erzeugt starkes Magnetfeld (Self-Field zusätzlich möglich: Coils, Permanentmagneten)

  • zusätliches Magnetfeld (Applied Field) erhöht Isp und F und Effizienz

• WW zwischen dem elektrisch erzeugten Magnetfeld um die BK und der ionisierten Stützmasse beschleunigt diese in axialer Richtung

• lässt sie mit sehr hoher Geschwindigkeit entweichen.

• Durch Impuls entsteht die Schubkraft.

• Plasmagrundlage: Argon, Lithium und Wasserstoff. 

• Effekte

1. Blowing
   • Im Konzentrischen Teil der Elektroden
2. Pumping
   • Nach tip der Kathode

Effiizienz

• Thermale (kW-MW Bereich) und Viskositätsverluste hoch
• Akali Metalle sind Gut
• Lith. hat hohes Ionisationspotential -> Frozen flow loss klein

"Pulsed Plasma Thruster"

Komponenten

1. Kondensator zur Energiespeicherung
2. Metallischen Elektroden zu physischen Etablierung des Kondensatorpotentials
3. Treibstoff zB Teflon
4. Zündvorrichtung, z. B. eine handelsübliche Zündkerze

Funktion

• Kondensator mit Betriebsspannung (bis zu mehreren kV) aufgeladen
• Zündung
• -> Schwingkreis bestehend aus Kondensator, Elektroden und Treibstoff geschlossen
• Ausbildung Lichtbogenentladung entlang der OF des TS
• hohen Entladungsstrom von mehreren kA wird ein Teil des Treibstoffs ablatiert, dissoziiert und ionisiert.
• Dabei entstehen Ladungsträger zwischen den Elektroden.
• zeitlich verändernde Entladungsstrom erzeugt ein starkes Magnetfeld.
• Interaktion Ladungsträger <->Feldes ->Beschleunigung Lorentzkraft. -> Schub
• Energie des Kondensators begrenzt ist, klingt die Schwingung im Stromkreis schnell ab, so dass nach etwa 10–20 μs der Lichtbogen zusammenbricht und der Schubpuls beendet ist. Typische erreichte Impulse liegen bei einigen 100 μNs.

Vorteile

• Keine Aufwärmzeit
• Keine Standby Leistung
• Keine Tanks und Leitungen
• Billig + Einfach
• Kein Neutralisator notw.

Nachteile

• Effizienz klein 5-15%
• Externe Zündung
• Lebensdauer
• Kondensator schwierig

VAriable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket

Funktion

• 3 Bereiche
  1. die Erzeugung des Plasma,
  2. dessen weitere Erhitzung und
  3. Beschleunigung in der Düse
• Variation des Verhältnisses zwischen Isp und F möglich
• Magnetfeld um Plasma und EM Energie zu beeinflussen (Aufheizen) 

1. Gridded Ion 
2. Ion/Microwave
3. Hall
4. FEEP

• TS Atome eingespritzt in Entladungskammer
• Ionisation durch Elektronen Bombardement -> Plasma
• positive Ionen diffusion aus Kammer raus
• Grid-> Pot Diff. beschleunigt 
• Guided durch Löcher mit starken E-Feld
• Extractor Current limitiert durch Space Charge
• neg. Ladung Accelgrid verhindert rückschlag der Ionen

Bauteile:

• Anode (Außen) 1100V
• Propellant Feed (Mitte) 1070V
• Magnet Ring
• Extractor Grid (+1070V) und Accel Grid (-200V) und Deaccelaration Grid (-50V)
• Neutralisator

Probleme

• Grid Erosion
• Lebenszeit
• Sputtering

Arten der Ionisation:

1. Elektronen Bombardement
   • Hohlkathode
   • Beschl. durch Potentialdifferenz der Elektroden
2. RadioFrequenz Ionisation (RF)
   • Oszillierendes E-Feld durch alternierenden Elektromagn.
   • Selbsterhaltende Entlandung und Wegleiten von Kathode
3. Mikrowellen
   • Aufheizung

1. Thermoionisch -> Angrenzend an Beam
2. Thermoionisch -> Im Beam
3. Elctron Gun
4. Plasma Bridge

• 1MHz
• p_min 10^-2 bar
• Nach Zündung DC-Elektronen erhöhen  Kollisionswahrsch. -> p_min reduziert

Probleme:

• Sputtering an Quartz-Kammer 
• RF Energie absorbiert davon

Funktion

• Aufheizung durch Electron Cyclotrone Resonance (ECR)
• f= 2.45GHz
• Starkes magnetfeld (Applied)

Vorteil:

• keine Kathoden Erosion
• Kein Sputtering-> Microwave source ist weit weg

Funktion

• Innen: Quasineutrales Plasma
• Ionisations Länge ist viel größer als Grid-Gap
• -> keine Space Charge Limitation für I und Effi
• Elektronen Magnetisiert -> lange Zeit drin und effective Ionisation
• Ionen nicht magnetisiert -> elektrostat. Abstoßung
• e- scattern mit Neutralteilchen und wandern langsam zur Anode (Leakage I)
  • Hauptproblem Ineffizienz
• Magnetfeld reduziert richtung Anode um e- in Ionisationszone zu halten

Vorteile:

• Gridless
• 50% effi

Nachteile

• Lebenszeit Anoden Erosion

3Zonen:

1. Neutralisationszone
2. Ionisationszone
3. Accelaration Zone

WICHTIG

• T_exit ~15-25eV
• j~ 01-0.15 A/cm^2

• Beam Divergence
• niedrige U(300V)
• Hohe Beam Div. als Ion Thrusters-> 40° -> Effi= 59%
• Effi= cos (alpha)

• Magnetically Shielding Configuration

• E-Feld an Wänden nach Innen gerichtet

• Plasma von Wand weg bewegt

• Erosion um 2-3 Größenordnungen kleiner

High Efficiency Multistage Plasma (HEMP)

Prinzip:

• wie TWT (Wanderfeldröhre B und E  Feld), Permanent periodischer Magnet fokussiert Xe Plasma Axial und verhindert Verluste an Ionisations Kammerwand
• Plasma Potential zwischen Höckern wird kleiner richtung Exit
• E-Feld beschl. Xe-Ionen
• Neutralisator nicht notw. aber mögl
• Crossed E-Feld und B-Feld -> Quasineutrales Plasma mit hoher Ionisationsrate
• Potentiell weniger Erosion als Hall Thruster und Höherer Isp

• partiell Ionisiertes Gas (Ionen,e-, n) mit ausgeglichener ladung
  • QUASINEUTRAL
• Ionisationsenergie
  • min. Energie die notw. ist um 1 e- von Atom des Gases zu entfernen
• Viele Prozesse mit unterschdl. Wahrscheinlichkeiten 
  • e- Collision,... 

Ionisation

1. Inelast. Kollision
2. Photoionisation
3. Feldionisation
4. Charge-Exchange Ionisation

Rekomb:

1. Strahlungsrekombi
2. 3Körper Rekomb
3. Dissoziation
4. Dielektrisch
5. Electron Attachment

• Ultrapräzise AOCS
• Formation Flying

Field  Emission Electric Propulsion

Funktion:

• Accelelaration direkt vor Emitter
• Starkes E-Feld durch Ladungsdiff Emitter<-> Accelerator
• Kombinierte Effekte Elektrostat. Kräfte und OF-Spannung
• Ausbildung Taylor Cones 
• E-Feld erreicht gewisse Grenze -> Atome am Tip ionisierten -> Ionen-Jet geht aus E-Feld
• E- werden abgestoßen 
• Neutralizer

Aufbau:

1. Collector(=Emitter- Extractor- Cover Plate)
2. Cover Plate (-) -> ablenken Sekundär e-
3. Focusing  Elektrode (=Emitter Potential)
4. Extractor (Geerdet oder zum kontrollieren der Ionenenergie)
   • typisch: I_extr=0.01*I_emitter
5. Emitter (+)

Vorteile:

• Real "zero" Thrust Capability
• Mikrosekunden Reaktionszeit
• Metallische Treibstoffe Ga, In, Cs
  • Geringes Tankvolumen

Nachteile:

• Ströme bis 100 mikro Ampere
• Heizer für flüssig Treibstoffe Indium-> 156°C

WICHTIG

• Emitter extracts ions with V_total=V_emitter- V_extractor

• Therefore a negative V_extractor bias reduces V_emitter(reducing Thrust and Isp)

• and a positive V_extractorbias increases V_emitter(increasing Thrust and Isp)

Def: Flüssigkeit diffudiert in Festkörper und erzeugt eine starke Bindung (hohe T helfen Diff)

• Verstärkt durch:
  • Barrieren(Oxide, Contamination)
  • Gaps 
• Most materials wet well if they are „oxide-free“ (like noble metals)!
• ...

3 Arten

• A
  • Flüssigkeit und Substrat mit Oxiden beschichtet
• B
  • Flüssigkeit Oxidfrei und Substrat Covered
• C
  • Beide Oxidfrei

Reservoir

• Lösen sich in Treibstoff:
  • W, Ta, Re, no alloys
• mech. Fertigbar/ Schweißbar
  • W, Re, (Ta)
• Wetting - oxide-free (therm+chem Verdampfen
  • Re,Ta
• Kosten
  • W, Ta

-> Rhenium und Wolfram für Emitter 

-> Tantalum für Reservoir

Propellant

• Niedr. Schmelzpunkt
• Niedr Ionisationsenergie
• Niedr. Dampfdruck
• Hohe atomare Masse(Thrust)
• Wetting - oxide free
• Nicht Toxisch
• Kosten

-> Indium und Gallium

• Große Reservoirs -> TS Gewichts Problem (manchmal Vertical Wetting notw.)

• Hohe T ----> Viskosität zu klein ---> TS Leakage

• Microgravitations Kompatibilität

• Vertikal Expulsion(Flucht) Test gegen Gravität

• Indium FEEP

• wie FEEP
• zu hohe Accel. Potentials um mit Ion Engines mitzuhalten

Vorteil:

• gut für Clustering
  • Unabh. Spannung
  • Unabh electroden Form
  • kein Viskositätseinfluss

• Druck zwischen Tank und Emitter
• muss kleiner als max. Druck erlaubt durch Kapillarkräfte sein damit kein Spilling der Treibstoff
• Ventil notw um Spilling bei Launch zu verhindern
• kein Neutraliser notw.
•  

Thermionic Emission

• Electrons leave metal surface at high temperature (needs power)
• Pure Metal Cathode: Need high temperatures but are insensitive to ambient conditions
• Oxide Cathodes: Lower temperatures but very sensitive to vacuum
• Hollow Cathodes: High currents, similar to oxide cathodes but with a large area, needs propellant !

Field Emission

• Electrons leave metal surface due to high electric field (cold cathode)
• Very low power consumption
• High electric field from geometry: MEMS fabricated cathodes (silicon tips, coating, etc.), Carbon-Nanotube cathodes
• High electric field from material: Negative-Electron-Affinity (NEA) cathode

Others

• Ferroelectric cathode
• Photoemission cathode

• Eletroplasma Thrusters (Ion, Hall,..)
• Charge Level S/C stabil halten
• neutralisieren S/C

Ambient Pressure

• Low-power emitting surfaces (thermionic cathodes) get poisoned by H2O and oxygen leading to drastic decrease in current emission ⇒Mixed-Metal cathodes, higher operating temperature
• Atomic oxygen bombardment on FEA builds up oxide layer that lowers conductivity and increases the work function ⇒special coatings (Mo, Diamond), Carbon Nanotubes

Ion Bombardment

• Ionized residual gas atoms – Ambient Pressure
• Low-energy charge-exchange ions - Thruster
  • --> Destroys emitting surface or emitter tips
• EA: Lower gate potential (< 40 V) using MEMS (e.g. SRI Cathodes), Lens and Repeller(CLAIR) acceleration electrone (NASA JPL)
• Carbon nanotubes: Less sensitive, lower electrical efficiency

Lifetime

• Few lifetime data exists for high ambient pressures!

Vorteil

• Much lower temperatures
• Lower work function

Nachteil

• Not robust against residual gas poisoning -> needs strong vacuum
• Coating flakes off after air exposure
• Low D.C. emission <= 1A/cm²

Aktuelleste Entwicklung: LaB6/CeB6Cathode

• Bulk material electron emission – no low-work function material impregrates that are sputtered again, etc.
• Needs higher temperature (1600°C) – but still lower evaporation rate than BaO Cathodes (up to 15 A/cm²)
• Insensitive to vacuum level!

• Standard Methode um hohe Elektronenströme zuerzeugen für Hall und Ionen Thruster
• Generiert e- in einer Kombination von Thermoionischer Emission und Electronen Bombardement Ionisation
• Optimales Design:
  • Strahlungsschutz außen
  • Thermalstrahlung innen -> weitere Aufheizung der Kathode
  • TS- Ionen von Plasma Generation werden von Kathode angezogen
  • Ionen Bombardement sorgt für Aufheizung (nach Zündung-> Heater aus!!)
• Kathode besteht aus :
  • entweder poröses Tungsten imprägniert mit BaO ( dann sehr purer Propulsion Grad Xenon mit wenig Oxygen notw)
  • oder LaB6 -> Oxygen tolerant und ger. Evaporation Rate, aber höheres T_operating
• Unterschiedliche Modelle:
  • Discharge
  • RF
  • Microwave Hohlkathoden
• Hohe Plasmadichte im Shields-space-charge -> Höhere Ströme mögl.

1. Kathoden Conditioning: Initially Higher T und dann auf T_operating um Contaminierung zu entfernen
2. TS einführen
3. Discharge einleiten mit kurzem High-Peak-Voltage an Keeper-Elektrode (~500V)
4. Beschl. Elektronen ionisieren TS -> mehr e- generiert bei keeper voltage abfall auf rund 10V für dieselbe Discharge Currnet
5. Heizer kann ausgeschaltet werden d:
   •  TS-Ionen Kathoden Bombardement
   • und Kollision mit Öffnung(Orifice) auch Hitze produziert
6. Keeper Elektrode lenkt Ionen ab und schützt Kathode