Prof. Dr.-Ing. Jochen Schein, Professur für Plasmatechnik und Grundlagen der Elektrotechnik, hat erfolgreich das Projekt Plasma Jet Pack (PJP) bei der Europäischen Kommission – Horizon 2020-Space eingeworben.
Im Rahmen dieses EU-Projekts soll eine neue Technologie für elektrische Antriebsmodule für die Raumfahrt auf Basis von Vakuumlichtbogenphysik entwickelt werden. Projektpartner sind die Firmen COMAT (Frankreich), Thales Alenia Space (Frankreich), OHB (Schweden) und PlasmaSolve (Tschechien) sowie die französische Forschungsorganisation CNRS.
Bild 1: Das Vakuum-Lichtbogen Triebwerk mit einer magnetischen Düse, dass im Rahmen von Plasma Jet Pack Projekt untersucht wurde (© Roman Forster, LPT, Universität der Bundeswehr München)
Die Plasmaphysik eines sog. Vakuum-Lichtbogen Triebwerk (vacuum arc thruster, Bild 1), das von einem der Projektpartner (COMAT) zur Verfügung gestellt wurde, wurde im Labor für Plasmatechnik (LPT) diagnostisch untersucht. So wurde die Ionengeschwindigkeit des expandierenden Plasmastrahls bestimmt, um den erzeugten Schub einzuschätzen. Hierzu wurde ein optisches Diagnostiksystem genannt HOchgeschwindigkeitsBildAufnahmeSystem (kurz: HOBAS) verwendet, da wegen hoher elektromagnetischer Belastung Sondenmessungen nicht verwertbar waren. Das HOBAS ermöglicht die Aufnahme kurzer Filmsequenzen mit Aufnahmegeschwindigkeiten von bis zu 106 Bildern pro Sekunde bei Belichtungszeiten im Bereich von wenigen Nanosekunden. Um solch hohe Aufnahmegeschwindigkeiten zu erreichen, wird eine Abbildung des zu untersuchenden Objektes durch einen rotierenden Spiegel auf einen Bildverstärker projiziert. Wird bei der Aufnahme eine Schlitzmaske verwendet, so können die einzelnen Projektionen visuell getrennt werden, wie in Bild 2 gezeigt. Da die Zeitdifferenz zwischen den Bildern bekannt ist, kann aus der Wegdifferenz die Ausbreitungsgeschwindigkeit berechnet werden.
Bild 2: Eine HOBAS-Aufnahme bestehend aus 5 aufeinander folgenden Belichtungen zur Bestimmung der Ionengeschwindigkeit (© Roman Forster, LPT, Universität der Bundeswehr München)
Des Weiteren wurde das untersuchte Triebwerk mit einer magnetischen Düse ergänzt. Dabei wird ein externes Magnetfeld dazu genutzt, den expandierenden Plasmastrahl zu fokussieren, um so höhere Ionengeschwindigkeiten zu erzielen. Die Ausdehnung des Strahls mit und ohne magnetische Düse wurde stereoskopisch festgehalten, wie in Bild 3 und 4 gezeigt. Dadurch konnte eine Effizienzsteigung von bis zu 40% erreicht werden.
Bild 3: Dreidimensionale Rekonstruktion eines expandierenden Plasmastrahls ohne eine magnetische Düse anhand von stereoskopischen Hochgeschwindigkeitsaufnahmen. Links: Blickrichtung 1, Mitte: Blickrichtung 2, Rechts: Rekonstruktion (© Roman Forster, LPT, Universität der Bundeswehr München)
Bild 4: Dreidimensionale Rekonstruktion eines expandierenden Plasmastrahls mit einer magnetischen Düse anhand von stereoskopischen Hochgeschwindigkeitsaufnahmen. Links: Blickrichtung 1, Mitte: Blickrichtung 2, Rechts: Rekonstruktion (© Roman Forster, LPT, Universität der Bundeswehr München)
Neben den plasmaphysikalischen Untersuchungen wurden auch Lebensdauertests durchgeführt. Für alle Projektpartner ergaben sich daraus wichtige Erkenntnisse hinsichtlich der Geometrie und Materialien der Elektroden.
Laufzeit: 01.01.2020 bis 31.12.2022
Förderung: Europäische Kommission – H2020-Space-13-TEC-2019