Forschung & Entwicklung

Field Emission Thrusters (FEEP)

Feldemissions Schubdüsen kommen zurzeit für eine große Anzahl von Weltraummissionen, sowohl in Europa als auch in den USA, in Frage. Sie bieten leise Schubkraft und höchste Steuerbarkeit kombiniert mit einem hochpräzisen Schub (bis zu 8000 Sekunden) welche eine ultra- Präzisions-Zeigeressource (ultra- high precision pointing capabilities) ermöglicht. Solche Thruster werden für wissenschaftliche luftwiderstandbefreite und Konstellationsmissionen wie z.B.:

• LISA Lathfinder (sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=40)
• LISA (sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=27)
• DARWIN (sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=28) verwendet.

Dies ermöglicht sowohl die Entdeckung von Gravitationswellen als auch die Entdeckung von Planeten außerhalb unseres Sonnensystems.

Das Herzstück unseres FEEP Thrusters sind die Indium Liquid- Matal-Ion-Sources (LMIS). Indium hat eine Reihe signifikater Vorteile so wie z.B.: träge in der Atmosphäre zu sein, nicht toxisch und der Fakt, dass das Treibmittel, aufgrund seines Schmelzpunktes (156°C), während des Abschusses fest ist. Das LMIS kann deshalb hohen Vibrationsmengen standhalten, was auch schon während vielen bisherigen Abschüssen demostriert wurde. Zusätzlich zu der Ionenquelle, wird ein Neutralisierbad (Elektronenquelle) benötigt um das Schwebevermögen der Raumsonde aufrecht zu erhalten. Eine einzige LMIS kann eine Schubkraft von bis zu 12 µN produzieren. Größere Schubkräfte fordern ein Clustering des LMIS. Gemeinsam mit unserem Industriepartner "Astrium" (cs.space.eads.net/sp/), entwickeln wir ein FEEP Cluster als Aufbau für die LISA Pathfinder Raumsonde, welche eine Schubkraft von bis zu 100 µN produzieren kann.

Grundlegende Güte-Charakteristika eines einzelnen In-FEEP Thruster Elements

* Abhängig von der benutzten Energieversorgung, niedrigere Werte möglich
** Nutzung der derzeitigen Behältergröße von 30 g, größere Maße möglich
*** Vergleichen der derzeitigen zum Emitter mit der derzeitigen im Ionenstrahl (minus Extraktor und aktuelle Verluste des Federschilds)

Schlüsselerfolge unserer Forschung beinhalten bis dato:

• Erfolgreiche Lebenszeiten Tests für ein Cluster von 2 LMIS bis zu 4800 Std. und für ein Cluster von 8 LMIS bis zu 2000 Std.. Ein totaler Schub von 370 Ns konnte demonstriert werden. Ausführliche Standzeit Modellierung (Erosion einer LMIS Nadel) zeigt, dass unsere Schubdüse mehr als 20 000 Stunden arbeiten kann.
• Schubkraft Auflösung im Nano-Newton Bereich.
• Extrem niedrige Schubkraft Geräusche, kompatibel mit den gegenwärtigen LISA Vorgaben.
• Zusammen mit allen verfügbaren Neutralisierbäder- Optionen getestet (Thermionic, Carbon Nanotube, Field Emission).
• Entwickelt von Fokussierungselektroden um eine Halb- winkel Strahldivergenz von 25°, bei maximaler Schubkraft, zu erzielen.

Wir erforschen auch ob FEEP Schubdüsen minimiert werden können. 2004 waren wir die Ersten die den Abschuss eines MEMS In-FEEP Schubdüsenprototyps, ausgestattet mit 400 einzelnen Schubdüsen, in einem Bereich von nur 5x5 mm (siehe Abb. 2), demonstrieren konnten.

Letzte Veröffentlichungen:

• Tajmar, M., Scharlemann, C., Genovese, A., Buldrini, N., Boss, M., Frueholz, H., and Killinger, R., "Indium FEEP Micropropulsion Subsystem for LISA Pathfinder", AIAA Joint Propulsion Conference, AIAA-2006-4826, 2006
  
  
• Genovese, A., Buldrini, N., Andres, K., and Tajmar, M., "5000h Endurance Test of an Indium FEEP 2x2 Cluster", AIAA Joint Propulsion Conference, AIAA-2006-4827, 2006
  
  
• Tajmar, M., "Influence of Taylor Cone Size on Droplet Generation in an Indium LMIS", Applied Physics A, Vol. 81, No. 7, 2005, pp. 1447 - 1450
  
  
• Marhold, K. and Tajmar, M., "Direct Thrust Measurement of In-FEEP Clusters", International Electric Propulsion Conference, IEPC-235, 2005
  
  
• Tajmar, M., "Development of a Lifetime Prediction Model for Indium FEEP Thrusters", AIAA Joint Propulsion Conference, AIAA-2005-4386, 2005
  
  
• Vasiljevich, I., and Tajmar, M., "Development of a Focus Electrode for an Indium FEEP Thruster", AIAA Joint Propulsion Conference, AIAA-2005-4384, 2005
  
  
• Genovese, A., Buldrini, N., Tajmar, M., Tamas, E., Vasiljevich, I., Marhold, K., and Ruedenauer, F., "Indium FEEP Cluster Development", AIAA Joint Propulsion Conference, AIAA-2005-4385, 2005
  
  
• Tajmar, M., "Indium Capillary Liquid-Metal-Ion-Source Operation in the Flow Resistance Regime", Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 37, 2004, pp. 3057
  
  
• Genovese, A., Tajmar, M., Buldrini, N., and Steiger, W., "2000h Endurance Test of an Indium FEEP Microthruster Cluster", AIAA Journal of Propulsion and Power, Vol. 20, No. 2, 2004, pp. 219-227
  
  
• Tajmar, M., Genovese, A., and Steiger, W., "Indium FEEP Microthruster Experimental Charactization", AIAA Journal of Propulsion and Power, Vol. 20, No. 2, 2004, pp. 211-218
  
  
• Tajmar, M., and Genovese, A., "Experimental Validation of a Mass Efficiency Model for an Indium Liquid Metal Ion Source", Applied Physics A, Vol. 76, No. 6, 2003, pp. 1003-1006 (Rapid Communication)