Forschung & Entwicklung

Ionenquellen für Weltraumanwendungen

ARC ist der welteinzige Anbieter von Weltraumgeprüften "Liquid-Metal-Ion-Sources" (LMIS), die Indium als Treibmittel nutzen. Die Ionen Quelle besteht aus einer Nadel oder einer Mikrokapillare, überzogen mit Indium, welches über den Schmelzpunkt von Indium (156,6°C) erhitzt wird. Dann wird ein genügend hohes elektrisches Potential zwischen dem Emitter und einer Extraktorelektrode angewandt, bis eine Feldstärke von ungefähr 109 V/m in der Spitze erreicht wird. Das Gleichgewicht zwischen der Oberflächenspannung und der elektrischen Feldstärke formt einen sogenannten "Taylor Kegel" an der Oberfläche mit einer Düse, hervorstehend, aufgrund der Raumladung (siehe Abb. 1). Die Atome sind dann ionisiert an der Spitze der Düse und werden von selben Feld hinausbeschleunigt, das sie geschaffen hat. Die vertriebenen Ionen werden von dem hydrodynamischen Fluss des liquiden Metalls wieder aufgefüllt. Treibmittel-Tankgrößen im Bereich von 0,22 g bis zu 30 g werden entwickelt.

Die Ionenquelle wird gegenwärtig für 2 Anwendungen gebraucht:

• Active Spacecraft Potential Control (ASPOC): Ein Satellit wird positiv aufgeladen wenn er von der Sonne belichtet wird (fotoelektrischer Effekt). Dies kann durch Emittieren positiv geladener Ionen ausgeglichen werden, die dann das Schwebepotential des Satelliten reduzieren. Unser Indium LMIS wird für diesen Zweck für eine Vielzahl von Satelliten genutzt.
• Ion Source for Secondary-Ion-Mass Spectrometers: Das Indium LMIS wird als Herzstück eines Massenspektrometers, derzeit an Board des ROSETTA Weltraumfahrzeugs, genutzt. Es soll eine lokale Pressmassenanalyse des "comet 67P/Churyumov-Gerasimenko" durchführen. Der Name des Instruments ist COSIMA.
• Field-Emission-Electric-Propulsion: Der Ionenstrahl produziert eine höchststeuerbare Schubkraft, die für präzises Steuerungsvermögen der Weltraumsonde genutzt werden können.

Das APOC-Team wird von der "Austrian Acadamy of Sciences" geleitet
(www.iwf.oeaw.ac.at/english/research/earthnearspace/cluster/aspoc_e.html) und das COSIMA-Team wird vom "Max-Planck-Institute for Solar System Research" geführt (www.mps.mpg.de/en/projekte/rosetta/cosima/).

Vor mehr als 25 Jahren entwickelt, wurde Indium das erste Mal erfolgreich an Bord der russischen MIR Raumstation 1991 getestet und ist seitdem mit einer Vielzahl von Satelliten geflogen (siehe Table 1). Das macht es zu dem einzigen weltraumgeprüften LMIS welches mehr als 120 000 Stunden Arbeit im Weltraum, in 8 verschiedenen Weltraumfahrzeugen, erfasst hat. Sie haben auch exzellente Robustheit beim Überleben eines ARIANE 5 Fehlstarts, an Bord des CLUSTER Satelliten, gezeigt. Nach der Rettung aus dem Sumpf wurde eine Ionenemission, mit der gleichen Charakteristik vorhergehender Erdboden-Versuche, gestartet.