Oberflächen nach Maß
Ionenquellen verstehen
Strahl- und Plasmaquellen analysieren und gezielt optimieren
Das IOM untersucht die physikalischen Prozesse in Ionenquellen und Plasmen, um deren Verhalten präzise zu charakterisieren und gezielt zu verbessern. Ziel ist es, leistungsfähige und stabile Strahlquellen für Anwendungen in Materialbearbeitung und Raumfahrt zu entwickeln.
Analyse von Strahl- und Plasmaquellen
- Untersuchung der physikalischen Prozesse in Ionenquellen und Plasmen
- Bestimmung von Strahl- und Plasmaparametern
- Charakterisierung von Teilchenströmen, Energien und Dichten
- Beitrag zum Verständnis komplexer Plasma- und Strahldynamik
Entwicklung und Einsatz von Diagnostikmethoden
- Einsatz von Faraday-Sonden und Gegenfeldanalysatoren
- Entwicklung und Anpassung von plasmadiagnostischen Messaufbauten
- Nutzung von in-situ-Methoden zur optischen und thermischen Bildgebung
- Berührungslose Analyse durch Oberflächenprofilometrie
Hochauflösende optische Diagnostik
- Einsatz von laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIF)
- Nutzung von Zwei-Photonen-LIF (TALIF) zur Dichtebestimmung
- Analyse von Plasmen mit hoher zeitlicher Auflösung (Nanosekundenbereich)
- Bestimmung von Geschwindigkeiten und Zustandsdichten von Plasmaspezies
Beitrag zur Entwicklung leistungsfähiger Strahlquellen
- Grundlage für die Optimierung von Ionenquellen und Plasmaquellen
- Unterstützung von Anwendungen in Materialbearbeitung und Raumfahrt
- Verbesserung von Stabilität, Effizienz und Lebensdauer
- Verbindung von Diagnostik, Modellierung und technologischer Entwicklung
Projekte
Strahldiagnostik an sehr leistungsstarken Halltriebwerken
Die globale Raumfahrtgemeinschaft interessiert sich immer mehr für planetare Erkundungen von Mond und Mars, für die Vermeidung erdnaher Asteroiden, für Rohstoffgewinnung sowie für Wartungsmissionen im Orbit. Im Vorhaben CHEOPS-VHP-BB entwickelt ein internationales Konsortium bestehend aus sieben Partnern – führenden Vertretern der Raumfahrtindustrie, Forschungszentren, Universitäten und KMU – innovative Technologien, um zukünftige Mars-, Mond- und erdnahe Asteroidenvermeidungsmissionen zu ermöglichen. Das Hauptziel dieses Projekts ist es, dafür zukünftige Antriebssysteme und Simulationswerkzeuge zu entwerfen, zu entwickeln und zu qualifizieren und ergänzt damit laufende Entwicklungsaktivitäten um Forschung und Entwicklung zum zukünftigen Einsatz sehr leistungsstarker Halltriebwerk-Systeme. Das Projekt verfolgt dabei einen robusten und kostengünstigen Ansatz zur Qualifizierung, der Herstellung von Verschleiß unterliegenden Schlüsselkomponenten und zur Möglichkeit, alternative Treibmittel und Energiequellen zu nutzen. Der in diesem Projekt vorgesehene kostengünstige Ansatz zur Qualifizierung erfordert die Modellierung von die Lebensdauer begrenzenden Verschleißprozessen für ausgewählte Triebwerkskomponenten. Um den Verschleiß mit dem Betrieb des Triebwerks zu korrelieren, ist eine umfassende Charakterisierung der Triebwerke in Bodentests erforderlich. Für diese Aufgabe wird die am IOM in zwei früheren ESA-Projekten entwickelte Advanced Electric Propulsion Diagnostic Plattform eingesetzt. Dazu müssen zunächst Strahldiagnosewerkzeuge an die hohe thermische Belastung angepasst werden, die bei Strahlexposition durch diese sehr leistungsstarken Halltriebwerke auftritt.
www.cheops-vhp-bb.eu
Gefördert durch Europäische Union
Laserspektroskopische Charakterisierung von Neutralteilchen- und Erosionsspezies im Zwischengitter- und Nahfeldbereich von Gitterionentriebwerken
Gittererosion ist ein entscheidender Faktor der Limitierung der Lebensdauer von gitterbasierten Ionentriebwerken. Sie wird maßgeblich durch Ladungsaustauschreaktionen zwischen Ionen und Neutralteilchen des verwendeten Betriebsgases (dem Treibstoff) verursacht, bei denen langsame Ionen entstehen, die der ionenoptischen Auslegung des Extraktionsgittersystems nicht folgen und durch ihren Zusammenstoß mit Gitterflächen insbesondere die Oberfläche des Beschleunigungsgitters zerstäuben können. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens werden Neutralgasdichten von Xenon und Krypton sowie die Dichten erodierter Spezies erstmals im Zwischengitterbereich im sowie unmittelbaren Nahfeld eines Gitterionentriebwerks experimentell quantitativ bestimmt, wobei Ladungsaustauschprozesse in diesem Bereich als dominierend angesehen werden können. Neben Ionenantrieben sind die Erkenntnisse auch für die numerische Modellierung von Ionenquellen für terrestrische Anwendungen von Bedeutung.
Projektträger: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
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. Zur experimentellen Validierung der entwickelten Ionenquelle wird die laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie (LIF) methodisch weiterentwickelt und eingesetzt.
Projektträger: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Gefördert durch BMFTR
Strahldiagnostik an sehr leistungsstarken Halltriebwerken
Die globale Raumfahrtgemeinschaft interessiert sich immer mehr für planetare Erkundungen von Mond und Mars, für die Vermeidung erdnaher Asteroiden, für Rohstoffgewinnung sowie für Wartungsmissionen im Orbit. Im Vorhaben CHEOPS-VHP-BB entwickelt ein internationales Konsortium bestehend aus sieben Partnern – führenden Vertretern der Raumfahrtindustrie, Forschungszentren, Universitäten und KMU – innovative Technologien, um zukünftige Mars-, Mond- und erdnahe Asteroidenvermeidungsmissionen zu ermöglichen. Das Hauptziel dieses Projekts ist es, dafür zukünftige Antriebssysteme und Simulationswerkzeuge zu entwerfen, zu entwickeln und zu qualifizieren und ergänzt damit laufende Entwicklungsaktivitäten um Forschung und Entwicklung zum zukünftigen Einsatz sehr leistungsstarker Halltriebwerk-Systeme. Das Projekt verfolgt dabei einen robusten und kostengünstigen Ansatz zur Qualifizierung, der Herstellung von Verschleiß unterliegenden Schlüsselkomponenten und zur Möglichkeit, alternative Treibmittel und Energiequellen zu nutzen. Der in diesem Projekt vorgesehene kostengünstige Ansatz zur Qualifizierung erfordert die Modellierung von die Lebensdauer begrenzenden Verschleißprozessen für ausgewählte Triebwerkskomponenten. Um den Verschleiß mit dem Betrieb des Triebwerks zu korrelieren, ist eine umfassende Charakterisierung der Triebwerke in Bodentests erforderlich. Für diese Aufgabe wird die am IOM in zwei früheren ESA-Projekten entwickelte Advanced Electric Propulsion Diagnostic Plattform eingesetzt. Dazu müssen zunächst Strahldiagnosewerkzeuge an die hohe thermische Belastung angepasst werden, die bei Strahlexposition durch diese sehr leistungsstarken Halltriebwerke auftritt.
www.cheops-vhp-bb.eu
Gefördert durch Europäische Union
Publikationshighlights
L. Pietzonka, C. Eichhorn, F. Scholze, D. Spemann
Xenon neutral gas characterization in a gridded radiofrequency ion source using laser-induced fluorescence spectroscopy targeting metastable states
J. Electr. Propuls. 4 (2025) 62, https://link.springer.com/article/10.1007/s44205-025-00163-9
In dieser Untersuchung wird detailliert die axiale Geschwindigkeitskomponente neutraler Xenon Atome beim Betrieb einer Radiofrequenz-Breitstrahlgitterionenquelle im Nahbereich des Freistrahls mittels laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIF) gemessen. Dabei werden zwei verschiedene Anregungsschemen basierend auf jeweils einem metastabilen Ausgangszustand diskutiert. Es wird, unter Variation der Betriebsbedingungen der Ionenquelle, eine Dopplerverschiebung der Einzelpeaks des Hyperfeinstruktur-Spektrums des Absorptionsübergangs beobachtet. Die Resultate ermöglichen quantitative Aussagen zur Austrittsgeschwindigkeit von Neutralteilchen durch die Gitteranordnung, sowie zur Neutralgastemperatur innerhalb der Entladungskammer, ohne dabei auf einen direkten optischen Zugang in die Entladungskammer angewiesen zu sein.
S. Scaranzin, F. Scortecci, E. Bonelli, L. Manzolillo, M. Bartali, F. Avanzi, L. Sestini, F. Dini, F. Cannelli, U. Cesari, F. Marconcini, F. Paganucci, G. Becatti, M.M. Saravia, G. Giammarinaro, C. Guidi, C. Bundesmann, F. Scholze, D. Spemann, V. Vial
Characterisation of a 20 kW dual channel HT with different propellants (Xe/Kr/Ar)
Paper Nr. IEPC-2025-735, 39th Int. Electric Propulsion Conf., London, UK, 14.-19.09. (2025)
Diese Studie ist der experimentellen Charakterisierung eines 20-kW-Halltriebwerks mit zwei koaxialen Kanälen gewidmet, das an der Universität Pisa entworfen und von Aerospazio Tecnologie hergestellt wurde. Das Triebwerk wurde 2024 im Rahmen des ESA TANDEM-Programms bereits vorläufig charakterisiert. Dieser Artikel umfasst nun die Ergebnisse der jüngsten Testkampagne, die im Rahmen des CHEOPS-VHP-BB-Programms am TANDEM-Triebwerk zusammen mit der neuen Kathode durchgeführt wurde. Der Test fand 2025 in der Testanlage LVTF-3 von AEROSPAZIO Tecnologie statt. Der TANDEM-Triebwerk wurde dazu drei verschiedenen Treibstoffen (Xenon, Krypton und Argon) an vier Betriebspunkten (von 4,5 bis 20 kW) bei Entladungsspannungen von 300 und 400 V betrieben. Durch thermische Bildgebung mit einer Infrarot-Wärmebildkamera wurde die thermische Belastung der einzelnen Triebwerkskomponenten im Testbetrieb bewertet.
L. Pietzonka, C. Eichhorn, F. Scholze, D. Spemann
Laser-induced fluorescence spectroscopy for kinetic temperature measurement of xenon neutrals and ions in the discharge chamber of a radiofrequency ion source
J. Electr. Propuls. 2 (2023) 4, https://doi.org/10.1007/s44205-022-00029-4
In diesem Beitrag wird die Anwendung der laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie (LIF-Spektroskopie) im Zentralbereich der Entladungskammer einer mit Xenon betriebenen Radiofrequenz-Breitstrahlionenquelle beschrieben. Hierbei wurden zwei optische Übergange von Schwerteilchenspezies (Atome und einfach geladene Ionen) eines Xenonplasmas im nahen Infrarot bei sehr hoher spektraler Auflösung unter Zuhilfenahme eines durchstimmbaren Diodenlasers mit schmaler Linienbreite untersucht.
Die Bewegung von Teilchen der jeweiligen Plasmaspezies relativ zur Richtung des Laserstrahls induziert aufgrund des Doppler-Effekts eine Verschiebung der individuellen Resonanzfrequenzen und zeigt sich in Form einer spektralen Linienverbreiterung. Unter Berücksichtigung zusätzlich auftretender Linienverbreitungsmechanismen können daher die projizierten Verteilungsfunktionen der Neutralteilchen- und Ionengeschwindigkeiten optisch und somit nicht-intrusiv rekonstruiert werden. Die Breite der Geschwindigkeitsverteilungsfunktionen ist mit der kinetischen Temperatur der jeweiligen Plasmaspezies verknüpft; es konnte gezeigt werden, dass dieser Parameter in beiden Fällen mit der Stärke des in die Entladung eingekoppelten Radiofrequenz-Wechselfeldes korreliert ist.
Die experimentelle Untersuchung von Plasmaschwerteilchenspezies hinsichtlich ihrer kinetischen Temperatur ist ein wesentlicher Baustein für die simulationsbasierte Abschätzung der Leistungsfähigkeit von elektrischen Raumantrieben und der Lebensdauervorhersage für Triebwerkskomponenten. Damit stellt der hier vorgestellte Versuchsaufbau zur LIF-Spektroskopie eine Erweiterung der kooperativ entwickelten Advanced Electric Propulsion Diagnostic (AEPD)-Plattform zur In-Situ-Charakterisierung von Ionentriebwerken dar.
C. Eichhorn, F. Scholze, C. Bundesmann, D. Spemann, H. Neumann, H. Leiter
Two-photon laser-induced fluorescence in a radiofrequency ion thruster plume in Krypton
Journal of Propulsion and Power 35 (2019) 1175, https://doi.org/10.2514/1.B37487
Gitterionentriebwerke nutzen eine elektrisch vorgespannte Lochgitteranordnung zur Beschleunigung ionisierter Teilchen, die auf diese Weise den „Treibstoff“ des Antriebssystems bilden. Eine intakte Gittergeometrie (insbesondere die Erhaltung der Lochdurchmesser) ist eine Voraussetzung für die in Weltraumapplikationen geforderte Langlebigkeit solcher Triebwerke. Die Kenntnis ortsaufgelöster Dichten von Plasmaspezies nahe der Austrittsfläche ist wichtig für die quantitative Einschätzung plasma- und oberflächenphysikalischer Prozesse, die während des Betriebs des Triebwerks zu einer ungewollten Lochaufweitung (Gittererosion) führen können. Der Inhalt der Arbeit zeigt, wie lokale Neutralteilchendichten eines relevanten Treibstoffs (Krypton) im Freistrahl eines Gitterionentriebwerke während des Betriebs mit laserspektroskopischen Methoden berührungslos gemessen werden können.
C. Bundesmann, C. Eichhorn, F. Scholze et al.
An advanced electric propulsion diagnostic (AEPD) platform for in-situ characterization of electric propulsion thrusters and ion beam sources
Eur. Phys. J. D 70 (2016) 21, https://doi.org/10.1140/epjd/e2016-70236-0
Die experimentelle Charakterisierung ist ein wesentlicher Bestandteil in der Entwicklung, Optimierung und Qualifizierung von elektrischen Antrieben in der Raumfahrt oder von Ionenstrahlquellen im Allgemeinen, da mit ihrer Hilfe geprüft werden kann, ob der Raumantrieb oder die Ionenstrahlquelle die Anforderungen der Mission bzw. der avisierten Anwendung erfüllt. Weiterhin können mit der Charakterisierung, die für eine Modellierung des Antriebes bzw. Plasmas notwendigen Parameterwerte ermittelt werden. Es besteht darüber hinaus der Bedarf, die Diagnostik von elektrischen Antrieben zu standardisieren, um an verschiedenen Antrieben bzw. in verschiedenen Testumgebungen Parameterwerte zuverlässig und vergleichbar ermitteln zu können. Mit diesem Ziel wurde eine Diagnostikplattform (Advanced Electric Propulsion Diagnostic – AEPD) entwickelt, die eine umfassende in-situ Charakterisierung elektrischer Raumantriebe (oder Ionenstrahlquellen) erlaubt. Die AEPD-Diagnostikplattform besteht aus einem modularen 5-Achsen-Positioniersystem und umfasst Diagnostiken für die Strahlcharakterisierung (Faradaysonde, Gegenfeldanalysator, ExB-Sonde, aktive Thermosonde), die optische Inspektion (Telemikroskop, lasergestütztes Oberflächenprofilometer) und die thermische Charakterisierung (Pyrometer, Thermokamera). In dieser Arbeit werden die technischen Spezifikationen der Diagnostikplattform beschrieben und erste Ergebnisse der Charakterisierung eines Gitterionentriebwerks RIT-µX gezeigt.
Ausstattung
Laser-induzierte Fluoreszenzspektroskopie
Zwei-Photonen-Absorption Laser-induzierte Fluoreszenzspektroskopie
Streak Camera
Ultrahochzeitaufgelöste bildgebende Verfahren an Plasmen
Optische Emissionsspektroskopie
Faradaysonden und -felder
Gegenfeldanalysator
Energy-selektive Massenspektrometrie
Telemikroskopie (zur Quellenüberwachung)
Laser-Profilometrie (zur Quellenüberwachung)
Pyrometrie (zur Quellenüberwachung)
Thermographische Verfahren (zur Quellenüberwachung)
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