Elektrische Antriebe und Zukunftskonzepte

• If vacuum pump has problems in pumping down – there is a leak !
• Spray acetone (alcohol that quickly evaporates) on gaskets – a leak will automatically cause the pressure to rise very quickly for a short time
• Helium leak detector:
  • Small (and expensive) facility which is connected to the vacuum chamber
  • consists of a small vacuum system and a mass spectrometer to detect small Helium traces;
  • then use helium gas and blow helium along gaskets

1. Stainless Steel, Glass/Acryl
2. Collector
3. Flanges to connect Instruments
4. Feedtrhoughs (small flanges)
5. Valves -> verh. Pump failure, ölrückdiff,...

Thermal Cpnductivity:

• Pirani

Ionisation

• Penning
• BAyard-Alpert

Thermocouple

• 2 metalle -> strom dazwischen heiß kalt -> Seebeck effekt
• einfach und Sparkresistant,
• medium genau

Widerstands Thermometer

• Widerstand ändert mit T

• Dichte, Temp und Potential Messung

  • Put a probe inside a plasma, bias the probe and record the current over bias voltage

  • Extract plasma and floating potential, electron density and temperature

  • For higher accuracies: Double or Triple Probes

• Floating Potential (current = zero) and Plasma Potential (first change in slope) can be easily identified

• Electron temperature determined from slope of logarithmic current plot (Boltzmann!)

• Electron density is calculated from saturated ion current (to large negative bias) and T

Reason:

• Relatively new area investigating drastic reduction of thruster size and mass
• -->
• Computer and microstructure is advancing ⇒ Microspacecraft⇒ requires Micropropulsion
• Micropropulsion technology can reduce thrust to mass ratio
• Microsatellit (100 kg), Nanosatellite (10 kg), Picosatellite (1 kg)
• Requires MicroElectroMechanical Systems (MEMS) engineering capabilities

1. Solid Microthrusters
   • Solid propellant heated and microvalve is opened
   • Simple concept digital microthrusters: multitude of single-shot thrusters on silicon chip (e.g. from Honeywell: 106thrusters on 10 cm wafer, each can provide 3 μNs, total mass 2.4 g)
2. Micro Bi-Propellant Thruster
3. Cold Gas Thruster

1. Micro Ion Thruster
   • Kaufmann thruster with 1 – 3 cm range under development at University of Southern California and JPL
   • A few mN targeted
   • Requires field emission technology and high magnetic field strengths
2. Low Power Hall Thruster
   • 4 mm diameter Hall thruster developed at MIT
   • 1.8 mN, 865 s, 126 W and 6% efficiency
   • 50 W Hall thrusters under development at Keldysh Research Center and Busek (100 W, 4 mN and 20% 
3. Micro PPT Thruste
   • Under development at Air Force Research Laboratories & AIT/FOTEC
   • •Size of standard TV coaxial cable
   • •Complete thruster including electronics weights 0.5 kg, 2-30 μN and 1-20 W
   1.  
4. MEMS Colloid/FEEP
   • MEMS field emission cathode technology used for ion sources
   • Microvolcano structure successfully built at SRI
   • •Variable Ispwith additional grid – adjustable power-to-thrust ratio
5. Microchip Laser Thruster
   • Standard 1 W diode laser used to pump microchip laser to transform into high intensity pulsed laser light
   • •Propellant tape e.g. Teflon coated with Aluminium
   • •Material is heated, ablated and ejected at high thermal velocities
   • •Complete thruster weight 400 g including PCU, 0.3 nN – 3 μN at 6.5 W
   • •Specific Impulse 1,000 s•Efficiency around 1%

Pff. Kommt hoffentlich nicht dran

1. Elektrothermisch
   • Resistojet
   • Arcjet
2. Elektrostatisch
   • Ion
   • Hall
   • FEEP
   • Colloid
   • Laser Accelerated
3. Elektromagnetisch
   • PPT
   • MPD
   • VASIMIR

Funktion:

• flüssiger TS eingeleitet
• Aufheizung elektrisch
• T steigt -> p steigt -> Beschleunigung

Anwendung

• Abwasser nutzbar
• AOCS 

Probleme:

• T limitiert durch Heat Exchanger -> 3000K tungsten
• Frozen Flow Effiency

• Bei Hohen T -> H2 dissoziation und Ionisation
  • kinetische Energie sinkt aufgrund T-Verlust
• Gas bewegt sich zu schnell durch Düse um zu rekombinieren und Energie zurückzugewinnen
• Beeinflusst durch I_sp und p (hoher Druck besser)

Funktion:

• TS wirbelt in Kammer -> mehr Zeit zur Aufheizung
• Zwischen Kathode und  Anode entsteht  Lichtbogen
• Dazwischen fließt der  TS
  • Starke aufheizung durch Lichtbogen  (5000K)
• Schub wird also nur durch den thermischen Effekt der Expansion erzeugt (nicht elektr od magn)
• Entweder ger. U und hohe I-discharge oder Hohe frequ. und hohe U-Discharge

Anwendung

• Lageregelung von Sats

Probleme

• Cathoden Erosion -> geringe Lebenszeit 1500h

• A-B: e- ionisieren andere Atome durch Kollision
• B-C: pos. Ionen haben genug Energie um e- zu emittieren (Kathoden Bombardement)
• C: Durchschlagsspannung
• D-F: Licht entladung (T<100°C)
• F: kathode so heiß durch Bombardement, dass Thermoionische e- Emission ( Arc Discharge)  anfängt
  • gut für Propulsion

• 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