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IONENANTRIEB
Durch Simulation zu effektiveren Triebwerken
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Greifswald
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18. November 2013

In Greifswald arbeiten Wissenschaftler an einem Simulationspaket für das Ionentriebwerk HEMPT. Untersucht werden soll dabei vor allem die Wechselwirkung der austretenden Ionen mit dem Satelliten. Mithilfe einer komplexen Simulationssoftware hofft man sowohl den Schub als auch die Lebensdauer des Ionenantriebs für Satellitenmissionen optimieren zu können.

HEMPT

HEMPT-Thruster Module im Betrieb. Unten (blau) Triebwerksplasmaentladung mit expandierenden Ionenstrahl, oben die Neutralisatorentladung um das Negativaufladen vom Satelliten zu vermeiden. Foto: Benjamin van Reijen

Im Rahmen eines neuen Projekts, das durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) über drei Jahre mit insgesamt 800.000 Euro gefördert wird, wollen Wissenschaftler der Universität Greifswald ein Simulationspaket für das Hocheffizienz-Mehrstufen-Plasma-Triebwerk (HEMPT) entwickeln. Solche Ionentriebwerke werden unter anderem zur Steuerung von Satelliten außerhalb der Erdatmosphäre oder auch als Antrieb für Missionen im Sonnensystem eingesetzt.

Von besonderem Interesse bei dem Projekt ist die Wechselwirkung der austretenden Ionen mit dem Satelliten. Durch eine komplexe Simulationssoftware soll sowohl der Schub als auch die Lebensdauer des Ionenantriebs für Satellitenmissionen optimiert werden.

Ionenantriebe arbeiten wie herkömmliche Raketentriebwerke nach dem Rückstoßprinzip. "Um den Rückstoß zu maximieren müssen schwere Teilchen den Antrieb mit einer möglichst hohen Geschwindigkeit verlassen. Chemische Antriebe haben da eine begrenzte Austrittsgeschwindigkeit. Werden jedoch geladene Teilchen verwendet, so können sie mit Hilfe von elektrischen Feldern zu weit höheren Geschwindigkeiten beschleunigt werden," erläutert Projektleiter Ralf Schneider, Professor für Computational Physics am Institut für Physik der Universität Greifswald.

Als Quelle für diese Teilchen wird im Inneren des Ionenantriebs in einem Entladungskanal ein Plasma erzeugt. Das ist ein ionisiertes Gas, das aus elektrisch geladenen Teilchen, den Ionen und Elektronen, besteht. Diese geladenen Teilchen erzeugen im Plasma eigene elektromagnetische Felder. "Die Kunst ist nun durch Optimierung zusätzlicher Magnetfelder und des Plasmas die maximale Beschleunigung der Ionen zu erreichen, allerdings ohne Schädigung der Wände des Entladungskanals oder anderer Satellitenteile durch die austretenden Teilchen," beschreibt Schneider die Herausforderung.

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"In dem Grundlagenforschungsprojekt verfolgen wir das langfristige Ziel, ein anwenderorientiertes Computerprogramm zu entwickeln, das aufwendige und kostspielige Langzeittests von Ionenantrieben ersetzt, so wie es zum Beispiel schon heute für Windtunnel oder Crashtests in der Autoindustrie allgemein üblich ist," so Norbert Püttmann vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR.

"Diese Art der Förderung von Grundlagenforschung bringt auch einen Gewinn für die Wirtschaft, da durch ein besseres Verständnis physikalischer Prozesse Leistungsparameter verbessert und Kosten beim Einsatz der Triebwerke verringert werden können," meint Projektleiter Jürgen Schulze vom  Bereich Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt.

Es ist bereits das zweite Vorhaben, das durch das DLR auf diesem Gebiet gefördert wird. "Im ersten Projekt konnte unser Unternehmen mit Hilfe dieser Simulationen wichtige Prozesse im Entladungskanal verstehen. Dies ermöglichte eine zielgerichtete Optimierung des HEMPT in Bezug auf Schub und Lebensdauer des Triebwerks und Winkelverteilung der austretenden Teilchen", so Dr. Martin Schirra vom Geschäftsbereich Electron Devices von Thales Deutschland in Ulm, wo das Triebwerk 1998 patentiert wurde.

In der Arbeitsgruppe von Professor Schneider, der bis 2009 noch am Institut für Plasmaphysik IPP in Greifswald arbeitete, werden schon seit einigen Jahren Methoden aus der Fusionsforschung für die Simulation von Plasmaantrieben genutzt. Es hatte sich gezeigt, dass Probleme, die Fusionsforschungsanlagen limitieren, auch für Ionenantriebe wichtig sind. Dazu gehören beispielsweise Mikroturbulenzen und der daraus resultierende erhöhte Transport der Plasmateilchen oder die Schädigung von Wänden durch auftreffende Plasmateilchen.

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siehe auch
Ionenantriebe: Simulationen für effektivere Triebwerke - 1. Oktober 2008
SmallGEO: Neuartige Ionentriebwerke zur Lageregelung - 17. Juli 2008
Links im WWW
Universität Greifswald
DLR
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