Konzeption eines miniaturisierten Ionenantriebs für Raumfahrtanwendungen auf Basis ionenleitender Oxide

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der Konzeption und Entwicklung eines neuen miniaturisierten Ionentriebwerks auf der Basis ionenleitender Oxide. Dazu wurde ein Probendesign auf Dünnschichtbasis erstellt und ein Messaufbau realisiert. Das Probendesign mit einer lateralen Größe von 1,2x1,6 cm² besteht dabei aus einem mikrostrukturierten Heizer und einer darauf deponierten ionenleitenden Dünnschicht. Als Ionenleiter kamen die Sauerstoffionenleiter Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und Gadolinium-dotiertes Ceroxid (GDC) in Frage. Die elektrische Charakterisierung der Sauerstoffionenleiter ergab, dass die GDC Dünnschichten die höhere Ionenleitfähigkeit (2,1E-3 S/cm im GDC gegen 9,1E-5 S/cm im YSZ) aufwiesen, und so wurden diese für die Extraktionsexperimente ausgewählt. Die Homogenität des Heizers wurde mittels IR-Thermographie untersucht, hier zeigte das gewählte Design aus zehn parallelen 200 Mikrometer breiten und 100 bis 350 nm dicken Stegen eine gute Wärmeverteilung. Mittels Massenspektrometrie wurde das Verhalten der Proben beim Aufheizen untersucht. Die Analyse ergab, dass sich das Restgas im Rezipienten durch das Heizen der Probe ändert. Da sich nicht nur die Probe sondern auch der Messaufbau erwärmt, gibt auch dieser adsorbierte Gasmoleküle in das Restgas ab. Die Beiträge von Probe und Messaufbau konnten durch zeit- und temperaturabhängige Messungen getrennt werden. In Heizzyklen ließ sich nachweisen, dass das Sauerstoffsignal (O2) direkt der Heizertemperatur folgt und hier Sauerstoff aus der ionenleitenden Schicht ausgebaut wird. Ein weiteres Indiz dafür war eine blaue bis schwarze Einfärbung der GDC Schichten, diese sind ansonsten vollständig farblos und transparent. Für die Reduktion des GDC wurde dabei eine Temperatur von ca. 740 K benötigt, um den Einfluss des Messaufbaus klein zu halten, wurde diese Temperatur nicht länger als fünf Minuten gehalten. Beim Anlegen einer positiven Spannung von 200 V an ein Kupferblech, das sich ca. 3 mm über der ionenleitenden Schicht befand, konnte bei einer Temperatur von 873 K ein Strom von 14 nA gemessen werden, der innerhalb von zwei Minuten auf 2 nA abfiel. Der gemessene Strom entsprach negativen Ladungsträgern (O- oder Elektronen) und zeigte eine Spannungs- und Temperaturabhängigkeit. Aus den temperaturabhängigen Messungen ließ sich mit der Richardson-Dushman Gleichung eine Aktivierungsenergie von 1,87 eV für die Extraktion bestimmen. Die gesammelten Indizien legen nahe, dass es sich bei dem gemessenen Strom um Sauerstoffionen handelt, ein Beitrag durch Elektronen konnte mit den vorhandenen Messmethoden aber nicht vollkommen ausgeschlossen werden. Für weitere Messungen müssen das Konzept und der Messaufbau überarbeitet werden, da diese an ihre technischen Grenzen stoßen. Heizer und ionenleitende Schicht müssen elektrisch getrennt werden um Störeinflüsse bei der Strommessung zu minimieren. Der Messaufbau sollte eine Einhausung der Probe vermeiden, damit die Messungen nicht durch die Emission von adsorbierten Gasen des Messaufbaus gestört werden. Weiterhin kann durch die Einstrukturierung von Spitzen auf der Oberfläche des Ionenleiters lokal das elektrische Feld erhöht werden, wodurch die benötigten Spannungen weiter reduziert werden könnten.