Zur Physik der Radiofrequenz-Ionentriebwerke am Beispiel der elektrischen Charakterisierung von RIT-2 und RIT-4

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2011

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http://dx.doi.org/10.22029/jlupub-9662

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Schon seit über vier Jahrzehnten werden elektrische Antriebe entwickelt, gebaut und erforscht. Diese Aktivitäten führten im Laufe der Zeit zu einer wahren Fülle an verschiedenen Arten von elektrischen Antrieben und einer großen Bandbreite an Unterarten. Speziell die von Professor Horst Löb an der Universität Giessen entwickelten Radiofrequenz-Ionentriebwerke (RIT) mit der ihnen zu Grunde liegenden nahezu erosionsfreien Entladung bieten gute Voraussetzungen, um gerade als langfristige Weltraumantriebe genutzt zu werden. Dabei standen im Fokus der bisherigen Entwicklung Radiofrequenz-Ionentriebwerke, die in einem Schubbereich um hundert Milli-Newton arbeiten. Genutzt wird diese Art von Triebwerken als Antrieb sowohl für die Bahn-Regulierung (orbit control) als auch für die Lage-Regulierung (attitude control). In jüngster Zeit jedoch rückte eine andere Art von Weltraummissionen ins Zentrum des wissenschaftlichen Interesses. Es handelt sich dabei um Analyse- oder Detektionsmissionen, deren Funktion auf mehrere Raumfahrzeuge, einem sogenannten Cluster, verteilt ist. Der gesamte Cluster agiert also wie eine einzige Raumsonde. Aus diesem Grund ist es immens wichtig, dass die einzelnen Komponenten des Clusters im Raum völlig lagestabil zueinander gehalten werden können. Realisiert wird dieser Zustand durch ein Triebwerkssystem, das in der Lage sein muss, selbst kleinste Störungen zu kompensieren. Es sind Triebwerke von Nöten, die in extrem niedrigen Schubbereichen arbeiten können; genauer gesagt im Mikro-Newton Bereich. Zu diesem Zweck wurde durch Miniaturisierung eine neue Generation von Radiofrequenz-Ionentriebwerken entwickelt, die in der Lage sind, genau diese Anforderung zu erfüllen. Ziel und Inhalt dieser Arbeit ist es, die im Rahmen des Miniaturisierungsprozesses entstandenen Triebwerke RIT-2 und RIT-4 elektrisch zu charakterisieren und eventuell zu optimieren. Dabei war die zentrale experimentelle Zielsetzung, die Untersuchung des Triebwerks so realitätsnah wie möglich zu gestalten. Zu diesem Zweck wurden die Triebwerke ausschließlich an Hand der Werte charakterisiert, die auch während des normalen Betriebs zu messen sind. Es handelt sich dabei um die Daten der Versorgung des Triebwerks. Diese Werte sind stets präsent, so auch während des Einsatzes im Weltraum. Ausschließlich auf deren Grundlage zu charakterisieren heißt, das Triebwerk so anwendungsbezogen wie möglich zu beschreiben. Ein weiterer Aspekt, der zu einem zentralen Punkt in dieser Arbeit wurde, ist die theoretische Betrachtung der physikalischen Prozesse. Ziel dabei war es, die Betrachtung auf den einfachst möglichen Grundannahmen aufzubauen, um so einen Einblick in die elementaren, mikroskopischen Mechanismen zu erhalten. Ausgangspunkt und einzige Annahme der Betrachtung war ausschließlich die Existenz geladener Teilchen und der von ihnen ausgehenden elektrischen Felder. Des Weiteren sollte sich die Betrachtung streng an die Kausalität von Ursache und Wirkung halten. Gerade in Bezug auf die Erregerspule bedeutet dies, dass ein Konzept direkter Wechselwirkung das der eingekoppelten Leistung ersetzt. Also die in der Spule oszillierenden Elektronen induzieren im Plasma ein Feld, diesem Feld folgen die Elektronen des Plasmas. Die sich bewegenden Elektronen des Plasmas wiederum erzeugen ein Feld, welches auf die Elektronen der Spule wirkt. Diese gegenseitige Wechselwirkung bestimmt allein auf der Grundlage von Ladung und Feld das Verhalten der Erregerspule. Auf diese Weise war es möglich, die mikroskopischen Mechanismen des RIT qualitativ nachvollziehen und verstehen zu können.

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