15. Mai 2020

Jod als preiswerter Treibstoff für Kleinsatelliten

Ein extrem einfacher und robuster Elektroantrieb soll zukünftig Kleinsatelliten kostengünstig durchs Weltall befördern – mit dem Treibstoff Jod. Im iFACT-Projekt wollen europäische Forscher hierfür in den kommenden zwei Jahren einen jodbasierten Ionenantrieb entwickeln und umfangreiche Materialtests durchführen. Ihr Ziel ist der Aufbau einer Jod-Material-Kompatibilitätsbibliothek und einer leistungsfähigen europäischen Bodentestinfrastruktur.

Bereits heute werden Raumsonden und Satelliten im All häufig elektrisch mit einem Ionenantrieb gesteuert. Das dafür genutzte Edelgas Xenon ist jedoch recht teuer und muss in Drucktanks mitgeführt werden, was vor allem beim Raketenstart ein Sicherheitsrisiko darstellt. Jod könnte eine attraktive Alternative sein: es ist fest und daher kompakt, gut zu transportieren, kostengünstig und leicht ionisierbar. Forscher versprechen sich dadurch nicht nur Kosten- und Volumeneinsparungen beim Treibstoff selbst, sondern auch ein deutlich kleineres und leichteres Antriebsmodul. An Bord stünde so mehr Platz für wissenschaftliche Instrumente zur Verfügung. Allerdings fehlen bisher Daten dazu, wie Jod sich mit den verbauten Materialien im Antrieb verhält und wie der Treibstoff effizient eingespeist werden kann.

Das EU-Projekt iFACT (iodine Fed Advanced Cusp field Thruster)
In dem von der Europäischen Kommission im Rahmen des Programms »Horizon 2020« mit zwei Millionen Euro geförderten Projekt arbeiten unter der Leitung von Airbus Deutschland die sieben europäischen Partner Airbus Frankreich, EASN-TIS (Belgien), Universität Southampton (UK), Fraunhofer IKTS (Deutschland), Aerospazio Technologie (Italien), Justus-Liebig-Universität Gießen (Deutschland) und EnduroSat (Bulgarien) zusammen. Sie wollen in den kommenden zwei Jahren eine jodoptimierte Einspeisungsarchitektur für das elektrische Antriebsprinzip »Advanced Cusp Field Thruster« entwickeln. Kernstück ist hierbei unter anderem die Erprobung jodkompatibler Kathoden und Neutralisatoren.

Das Fraunhofer IKTS bringt seine Materialkompetenz in der Herstellung Elektronen-emittierender Keramiken als Kathode in das Projekt ein. »Unser Ziel ist es, die am Fraunhofer IKTS entwickelten keramischen Komponenten hinsichtlich niedriger Austrittsarbeit und hoher Stromdichte zu verbessern, sodass sie in Kombination mit dem Treibstoff Jod die bestmöglichste Performance liefern«, erklärt Dr. Katja Wätzig, Wissenschaftlerin am Fraunhofer IKTS. »Hierzu werden wir das Material in seiner chemischen Zusammensetzung verändern und bei den Projektpartnern mit Blick auf die Anwendung testen lassen.«

Neben Untersuchungen zu den Antriebskomponenten sind weitere Materialtests der Forschungspartner zu den Auswirkungen der Jodkorrosion auf die Satellitenplattform geplant. Im Rahmen des Projekts sollen ferner Testsysteme in verschiedenen Leistungsklassen von 10 W bis 1000 W entwickelt und experimentell validiert werden.

Ein Ionentriebwerk erinnert an einen Fön, aus dem ein warmer Luftstrom austritt.
Nur das es hier Jod-Ionen sind, die aus dem Triebwerk austreten und so den Schub erzeugen. Zunächst muss dazu das in festem Zustand gespeicherte Jod verdampft werden. Die Elektronen-emittierende Keramik (C12A7) dient als Kathode und ionisiert das Jod. Es entstehen elektrisch positiv geladene Jod-Ionen, die durch ein elektrisches oder elektromagnetisches Feld beschleunigt werden und so den Schub liefern. Nach dem Austritt aus dem Triebwerk werden die positiv geladenen Jod-Ionen durch Zugabe von Elektronen in den Strom wieder neutralisiert, um eine negative elektrische Aufladung des Satelliten zu verhindern.
Lesen Sie mehr zu iFACT beim Fraunhofer IKTS.


Foto ©Fraunhofer IKTS: Keramische Hohlkathode für Jod-basierte Satellitenantriebe.

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