Oberflächen nach Maß
Entwicklung von Strahl- und Plasmawerkzeugen
Maßgeschneiderte Quellen für präzise Oberflächenbearbeitung und Beschichtung
Das IOM entwickelt und optimiert Strahl- und Plasmaquellen für die Oberflächenbearbeitung und -beschichtung. Ziel ist es, maßgeschneiderte Werkzeuge bereitzustellen, die spezifische Anforderungen in Forschung und Anwendung erfüllen.
Entwicklung spezifischer Strahl- und Plasmaquellen
- Entwicklung von Breitstrahlionenquellen für reaktives Ionenstrahlätzen
- Aufbau von Plasmajet- und laserinduzierten Plasmaquellen
- Anpassung der Quellen an unterschiedliche Prozessanforderungen
- Erweiterung des technologischen Werkzeugkastens des IOM
Optimierung für Bearbeitungs- und Beschichtungsprozesse
- Weiterentwicklung von Quellen für präzise Materialbearbeitung
- Anpassung an Anwendungen bei Atmosphärendruck und im Vakuum
- Verbesserung von Stabilität, Effizienz und Prozesskontrolle
- Unterstützung innovativer Verfahren in verschiedenen Forschungsbereichen
Anwendungen in Raumfahrt und Strahldiagnostik
- Einsatz von Ionentriebwerken für Kleinsatelliten
- Nutzung von Strahlquellen zur Validierung von Diagnostikverfahren
- Entwicklung von Technologien im Kontext elektrischer Antriebe
- Transfer von Erkenntnissen zwischen Raumfahrt und Materialbearbeitung
Beitrag zur technologischen Infrastruktur des IOM
- Entwicklung zentraler Schlüsselwerkzeuge für Forschung und Anwendung
- Grundlage für die Alleinstellung des IOM in diesem Technologiefeld
- Integration in experimentelle und anwendungsnahe Prozesse
- Enge Verzahnung mit anderen Arbeitsgruppen und Forschungsbereichen
Projekte
Entwicklung eines kostengünstigen Ionenantriebssystems für Kleinsatelliten - IonJet-Evo
Für alle Satellitenklassen werden elektrische Antriebssysteme immer wichtiger, da sie wesentlich weniger Kraftstoff benötigen als chemische Alternativen, wodurch eine Vielzahl von Missionen interplanetarer und interstellarer Flüge (DeepSpace, BepiColombo, LISA, Euklid usw.) und komplexe Satellitenkonstellationen oder -formationen (OneWeb, Starlink, Kuiper, UN:IO etc.) durchführbar werden. Parallel dazu gewinnen Kleinsatelliten, insbesondere Mikro- und Nanosatelliten, zunehmend an Bedeutung und ihre Nachfrage wächst rasant. Im Rahmen des Verbundvorhabens IonJet-Evo beabsichtigen das IOM und die Aerospace Innovation GmbH ein Engineering Qualification Model (EQM) eines kostengünstigen, kompakten und leistungsfähigen Ionenantriebssystems bestehend aus einem Koaxialtriebwerk in Verbindung mit den weltraumerprobten Komponenten des modularen Antriebssystems MICROJET zu entwickeln und unter anwendungsnahen Bedingungen im Teststand zu untersuchen. Das Anschlussvorhaben IonJet-Evo setzt die sehr vielversprechenden Technologieentwicklungsarbeiten des Ausgangsvorhabens IonJet fort, in dem ein erstes Testmodell eines Gitterionenantriebssystems entwickelt und unter Laborbedingungen erprobt wurde. Im Anschlussvorhaben soll nun u.a. eine signifikante Miniaturisierung des Antriebssystems, kompatibel zu den Cubesat-Spezifikationen des 6U-16U-Formats erfolgen sowie das Antriebssystem Umwelttests unterzogen und damit qualifiziert werden.
Projektträger: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Gefördert durch BMFTR
Entwicklung und Charakterisierung einer Referenz-Gitterionenquelle für Strahldiagnostiken - Ref4EP
Ziel des Verbundvorhabens ist der Aufbau einer hochmodernen Instrumentierung zum Test und zur Qualifizierung von elektrischen Raumfahrtantrieben (Electric Propulsion, EP), um den sich schnell entwickelnden Anforderungen der Raumfahrtindustrie im EP-Bereich gerecht zu werden, Vergleichbarkeit zwischen EP-Systemen herzustellen und den sicheren Betrieb von EP-Systemen im Weltraum zu gewährleisten. Dabei ist die Übertragbarkeit der auf der Erde in Testanlagen ermittelten Leistungs- und Betriebsparameter von EP-Systemen auf den Betrieb unter realen Bedingungen im Weltraum von entscheidender Bedeutung. Die Arbeiten im Verbundvorhaben zielen daher darauf ab, Methoden zu entwickeln und Strukturen aufzubauen, die die Etablierung von Teststandards auf nationaler Ebene ermöglichen. Dazu werden im Rahmen des Projektes zwei Referenzdiagnostika für die Treibstrahlanalyse entwickelt und mit einer Referenz-Gitterionenquelle, die am IOM entwickelt wird, verglichen. Die experimentelle Validierung der entwickelten Ionenquelle sowie der Diagnostika erfolgt an verschiedenen Weltraumsimulationsanlagen in Form eines Ringvergleichs.
Projektträger: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Gefördert durch BMFTR
ECRION - Entwicklung und Charakterisierung einer kompakten reaktivgastauglichen ECR-Ionenstrahl-Einbauquelle
Das Forschungsvorhaben zielt auf die Entwicklung einer neuartigen, reaktivgasfähigen, mikrowellenangeregten Ionenstrahlquelle für die ultrapräzise Bearbeitung optischer Oberflächen und Halbleitermaterialien. Adressiert werden zentrale Herausforderungen wie Langzeitstabilität, Energieeffizienz, Gaseinsatz sowie die präzise Steuerung von Strahlstromdichte und Strahlform. Angestrebt wird eine Steigerung der Prozessperformance um mehr als den Faktor 10. Das Projekt umfasst Konzeption, Konstruktion und Realisierung der Ionenquelle sowie deren elektrische, mikrowellentechnische und strahlphysikalische Charakterisierung. Ergänzend werden Mikrowelleneinkopplung, Plasmaerzeugung, Ionenextraktion und Strahlformung simulationsgestützt untersucht. Ziel ist ein funktionsfähiger ECR-Ionenstrahlquellen-Prototyp mit etwa 5 mm Strahlbreite und 20 mA Strahlstrom sowie ein zugehöriger digitaler Zwilling.
Gefördert durch Sächsische Aufbaubank – SAB/ EFRE
Entwicklung eines kostengünstigen Ionenantriebssystems für Kleinsatelliten - IonJet-Evo
Für alle Satellitenklassen werden elektrische Antriebssysteme immer wichtiger, da sie wesentlich weniger Kraftstoff benötigen als chemische Alternativen, wodurch eine Vielzahl von Missionen interplanetarer und interstellarer Flüge (DeepSpace, BepiColombo, LISA, Euklid usw.) und komplexe Satellitenkonstellationen oder -formationen (OneWeb, Starlink, Kuiper, UN:IO etc.) durchführbar werden. Parallel dazu gewinnen Kleinsatelliten, insbesondere Mikro- und Nanosatelliten, zunehmend an Bedeutung und ihre Nachfrage wächst rasant. Im Rahmen des Verbundvorhabens IonJet-Evo beabsichtigen das IOM und die Aerospace Innovation GmbH ein Engineering Qualification Model (EQM) eines kostengünstigen, kompakten und leistungsfähigen Ionenantriebssystems bestehend aus einem Koaxialtriebwerk in Verbindung mit den weltraumerprobten Komponenten des modularen Antriebssystems MICROJET zu entwickeln und unter anwendungsnahen Bedingungen im Teststand zu untersuchen. Das Anschlussvorhaben IonJet-Evo setzt die sehr vielversprechenden Technologieentwicklungsarbeiten des Ausgangsvorhabens IonJet fort, in dem ein erstes Testmodell eines Gitterionenantriebssystems entwickelt und unter Laborbedingungen erprobt wurde. Im Anschlussvorhaben soll nun u.a. eine signifikante Miniaturisierung des Antriebssystems, kompatibel zu den Cubesat-Spezifikationen des 6U-16U-Formats erfolgen sowie das Antriebssystem Umwelttests unterzogen und damit qualifiziert werden.
Projektträger: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Gefördert durch BMFTR
Publikationshighlights
F. Scholze, F. Pietag, R. Woyciechowski, D. Spemann, M. Kreil, M. Kron, H. Adirim
IonJet-Evo: initial performance test and qualification of a cost-efficient gridded ion thruster propulsion system for small satellites
Paper Nr. IEPC-2025-051, 39th Int. Electric Propulsion Conf., London, UK, 14.-19.09. (2025)
Dieser Artikel beschreibt die im Rahmen eines vom DLR geförderten Verbundvorhaben durchgeführte Weiterentwicklung des Ingenieursmodells IonJet zum Qualifikationsmodell IonJet-Evo eines kostengünstigen elektrischen Antriebssystems für Kleinsatelliten. Ein Hauptziel bei der Entwicklung von IonJet-Evo war die deutliche Reduzierung von Masse und Volumen des Antriebssystems, was durch eine Neugestaltung fast aller Teilsysteme erreicht wurde. Dies führte zu einer Volumenreduzierung um etwa 80 %, wobei die Leistungsparameter beibehalten werden konnten. Das Antriebssystem passt nun gemäß den Cubesat-Spezifikationen in ein 4U-Volumen und ermöglicht zwei verschiedene Triebwerksausrichtungen innerhalb des Antriebssystems.
F. Scholze, F. Pietag, H. Adirim, M. Kreil, M. Kron, R. Woyciechowski, C. Bundesmann, D. Spemann
Development and test of a cost-efficient gridded ion thruster propulsion system for small satellites – IonJet
J. Electric Propulsion 1 (2022) 28, https://doi.org/10.1007/s44205-022-00028-5
Im Rahmen eines vom DLR geförderten Verbundvorhabens IonJet des IOM und der Aerospace Innovation GmbH wurde ein Engineering Model eines kostengünstigen elektrischen Antriebssystems für Kleinsatelliten entwickelt. Während das Gasversorgungssystem auf dem MICROJET 2000-System des 2016 in den Weltraum gestarteten BIROS-Satelliten basiert, basiert das Triebwerkssystem auf einem neuartigen, zum Patent angemeldeten, Gitterionentriebwerk, bei dem der Neutralisator im Ionentriebwerk integriert ist. Dies ermöglicht eine gleichzeitige Ionen- und Elektronenextraktion und reduziert die Anzahl der Komponenten und damit die Kosten und Systemkomplexität. Das gesamte System wurde erfolgreich unter Vakuumbedingungen hinsichtlich Zündung und stabilem Betrieb des Antriebssystems getestet. In den Leistungstests konnten mit Xenon Schubkräfte von 1 mN bei einer Gesamtleistungsaufnahme von weniger als 50 W sowie spezifische Impulse größer als 1000 s, den Gasverbrauch des Neutralisators eingeschlossen, erreicht werden. Darüber hinaus wurden erste Tests mit Krypton durchgeführt, die zeigten, dass bei gleicher Gesamtleistung der erreichbare Schub auf 55% bis 68% des Schubes für Xenon abnimmt.
F. Scholze, F. Pietag, D. Spemann, R. Woyciechowski
Vorrichtung und Verfahren zur Ionenerzeugung durch ein Plasma
DE102022112149.6, 2022, Deutsches Patent- und Markenamt
Das Patent beschreibt eine Erfindung zur einfachen und sicheren Möglichkeit der Ionenerzeugung, bei der die erzeugten Ionen einfach und ohne viele zusätzliche Komponenten und Geräte gemischt und/oder neutralisiert werden können. Die dazu notwendige Vorrichtung ist sehr kompakt und kostengünstig aufgebaut, da lediglich ein Anregungssystem für zwei räumlich und/oder elektrisch getrennte Bereiche eines Plasmagefäßes erforderlich ist. So kann mindestens ein komplettes Anregungssystem eingespart werden, wodurch Platz und Freiheitsgrade (z.B. bei der Bewegung der Vorrichtung selbst) gewonnen werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dabei sowohl als Ionentriebwerk als auch zur Materialbearbeitung eingesetzt werden, ist also universell einsetzbar, wobei die kinetische Energie über das Gittersystem und die Stromdichte über den Gasfluss und die Leistung der Plasmaanregung genau einstellbar sind.
F. Scholze, D. Spemann, D. Feili
Design and performance test of a RF plasma bridge neutralizer
Proc. 36th Int. Electric Propulsion Conference (IEPC), IEPC-2019-475 (2019)
Die meisten elektrischen Antriebskonzepte für die Raumfahrt benötigen eine Elektronenquelle zur Neutralisierung der positiven Raumladung, die vom emittierten Ionenstrahl erzeugt wird. Als Alternative, z.B. zu Hohlkathoden, wurde am IOM ein Radiofrequenz-Plasmabrückenneutralisator (RFPBN) mit einer induktiven Plasmaanregung entwickelt und getestet. Der RFPBN besteht aus einer zylindrischen Entladungskammer und einem integrierten Anpassnetzwerk für eine Frequenz von 13,56 MHz und ist ausgelegt für Elektronenströme von 2 mA bis 100 mA. Die Erprobung der Leistungsfähigkeit zeigt, dass dieses Neutralisatorkonzept eine mögliche Alternative zu konventionellen Elektronenquellen für die Strahlneutralisation darstellt. Durch Vibrations- und Schocktests konnte außerdem die für eine Raumfahrtmission erforderliche mechanische Belastbarkeit des RFPBN erfolgreich nachgewiesen werden. Darüber hinaus hat der RFPBN einen 900 Stunden Langzeittest sowie einen 100 Stunden Neutralisationstest mit einem Gitterionentriebwerk RIT10 EVO von ArianeGroup erfolgreich bestanden.
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