Raumfahrzeuge im Weltraum laden sich infolge ihrer Wechselwirkung mit den vorhandenen elektrisch geladenen Teilchen und Strahlungsfeldern elektrostatisch gegenüber dem Umgebungsplasma auf. Insbesondere der durch das kurzwellige Sonnenlicht an der Oberfläche des Raumfahrzeugs ausgelöste Photoeffekt bewirkt eine Emission von Photoelektronen und somit unter bestimmten Bedingungen eine elektrisch positive Aufladung des Raumfahrzeugs. Diese Aufladung beeinträchtigt einerseits die Durchführung wissenschaftlicher Experimente auf dem Raumfahrzeug (z. B. Verfälschung von Messungen niederenergetischer Ionen- und Elektronendichten im Weltraumplasma), andererseits können differentielle Aufladungen auf verschiedenen Teilen der Außenhaut zu elektrischen Überschlägen, Ausfällen von Geräten und Beeinträchtigung der Energieversorgung (Sonnenzellen) führen.
Forschungsziel
Die positive statische Aufladung eines Raumfahrzeugs gegenüber dem Weltraumplasma kann durch Emission von Teilchen mit positiver elektrischer Ladung (Ionen) kompensiert werden. Zu diesem Zweck bringt man einen Ionenemitter am Raumfahrzeug an, der einen Strahl energetischer Ionen in den Weltraum emittiert, dessen Stärke etwa dem emittierten Photoelektronenstrom entspricht. Flüssigmetall-Feldionenemitter sind klein und leicht, weisen eine lange Lebensdauer auf und verbrauchen wenig Energie. Solche Emitter wurden zur Potentialregelung von Raumfahrzeugen (u. a. Instrument ASPOC auf den europäischen Forschungssatelliten CLUSTER, Instrument SPEX auf dem russischen Satelliten INTERBALL) ausgewählt.
Der Flug eines österreichischen Kosmonauten zur sowjetischen Weltraumstation MIR stellte die erste Gelegenheit überhaupt dar, einen Flüssigmetall-Emitter unter Bedingungen der Schwerelosigkeit zu testen und so noch vor dem ersten Einsatz für Potentialregelungszwecke eine Optimierung der Flughardware und -software durchzuführen.
Funktionsweise, Meßprinzip
Ein Flüssigmetall-Ionenemitter (liquid metal ion source, „LMIS“) besitzt eine Metallnadel mit einem Spitzenkrümmungsradius von wenigen Mikrometern, die aus einem Vorratsgefäß, das mit flüssigem Metall gefüllt ist, ragt. Im Betrieb wird das Metall durch eine elektrische Heizung geschmolzen – wegen der niedrigen Schmelztemperatur kommt Indium zum Einsatz – und benetzt die freie Oberfläche der Nadel. Wird an diese eine hohe positive elektrische Spannung gegenüber einer geerdeten „Extraktionselektrode“ gelegt, werden infolge der lokal extrem hohen elektrischen Feldstärke durch Feldverdampfung positiv geladene Metallionen emittiert, die auf der Strecke zur Extraktionselektrode auf hohe Energien beschleunigt und zu einem Strahl geformt werden. Die durch die Emission des Strahls aus der Flüssigkeitsoberfläche verlorengegangenen Atome werden sofort durch Nachströmen aus dem Flüssigkeitsreservoir kompensiert, sodaß aus dem Emitter ein stabiler Ionenstrahl austritt.
Da keines der österreischischen Geräte der AUSTROMIR-Nutzlast für einen Einsatz außerhalb der Raumstation vorgesehen war, mußte für diese Apparatur die Umgebungsbedingung „freier Weltraum“ innerhalb des Gerätes geschaffen werden. Das für den Betrieb notwendige Hochvakuum wurde von einer geräteeigenen Ionenpumpe aufrechterhalten, die sofort aktiviert wurde, als die Geräte am 23. August 1991 an Bord der Raumstation gebracht worden waren. In einem hermetisch abgeschlossenen Vakuumsystem war ein Modul mit 3 Flüssigmetall-Ionenemittern eingebaut. Die Emitter wurden einzeln in Betrieb genommen und der emittierte Ionenstrahl am internen Kollektor aufgefangen. Mit Hilfe des Zentralrechners DATAMIR steuerte der Kosmonaut das Experiment, wobei alle relevanten Betriebsdaten registriert, auf Magnetkarten und auf Disketten gespeichert und nach dem Flug zur Erde gebracht wurden.
Die Betriebsdaten des unter Schwerelosigkeit betriebenen Emittermoduls wurden mit denen eines gleichartigen, am Boden betriebenen Moduls verglichen. Ebenso wurden die Emitter demontiert und zur Erde zurückgebracht, wo durch elektronenmikroskopische und mikroanalytische Methoden die Benetzung der Emitterspitzen und die Verteilung des flüssigen Metalls im Vorratsgefäß studiert werden konnten.
Mitverwendete Apparaturen der österreichischen Nutzlast
DATAMIR
Ergebnisse
Das Experiment hat zum ersten Mal gezeigt, daß ein Flüssigmetall-Feldionenemitter mit Langzeitvorratsbehälter für eine längere Betriebsdauer unter den Bedingungen der Mikrogravitation geeignet ist. Die Betriebsparameter der Emitter sind den am Boden gemessenen sehr ähnlich. Die gemessene mittlere Stabilität des vom Modul emittierten Indium-Ionenstroms von etwa 4% läßt diesen Emittertyp auch für den weiteren Einsatz zur Potentialkontrolle von Raumfahrzeugen geeignet erscheinen.
Das auf die Erde zurückgebrachte Emittermodul wurde mit Hilfe der Sekundärionen-Massenspektrometrie untersucht. Dabei hat sich gezeigt, daß das in einem Multi-Emittermodul von den Elektroden auf die kalten Spitzen rückgesputterte Material die Stabilität der Betriebsparameter limitiert. Bei Einzelemittermodulen, wie sie im Experiment MIGMAS-A eingesetzt wurden, sind diese Kontaminationseffekte aufgrund der Selbstreinigung eines laufenden Emitters wesentlich geringer.
Praktische Anwendung
Anwendungsgebiete
- Kontrolle der Betriebsbedingungen von Weltraumkörpern (z.B. Missionen GEOTAIL, CLUSTER, INTERBALL)
Anwendungsziele
- Erhöhung der Sicherheit bemannter und unbemannter Weltraumflugkörper
- Kontrolle des elektrostatischen Potentials von Weltraumapparaten auf der Grundlage eines Flüssigmetallionenemitters
- Automatische Steuerung eines Flüssigmetallionenemitters
An der Nutzung der Experimentergebnisse direkt interessierte Institutionen
- Österreichisches Forschungszentrum Seibersdorf Ges.m.b.H., Seibersdorf
- Max-Planck-Institut für Atomphysik, Heidelberg, Deutschland
- Firma von Hoerner & Sulger, Schwetzingen, Deutschland
- Institut für Nachrichtentechnik und Wellenausbreitung der Technischen Universität Graz
- Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, Graz
- ISAS, Tokio, Japan
Technische Daten
Die Apparatur LOGION bestand aus folgenden Einheiten
Bild 2 (rechts oben): Blockschaltbild der Apparatur LOGION
Bild 3 (unten): Die Apparatur LOGION
Foto und Grafiken: BMBWK, Wien
Elektronikbox mit Kabeln
- Emittermodul mit 3 Ionenemittern
- Vakuumkammer
- Ionenpumpe zur Aufrechterhaltung des Vakuums
- Spannungsversorgungseinheit
- Ablaufsteuerung und Datenregistrierung
- Kabelsatz
- Rücktransportbox für Emittermodul
- Werkzeugbox mit Sechskantschlüssel (4 Stück) und Zange
- Schutzabdeckung für LCD-Display
| Masse: | 14,8 kg |
| Abmessungen: | 465 mm x 350 mm x 262 mm |
| Leistungsaufnahme: | 28 W |
Experimentatoren
Teil I:
Univ.-Prof. Dr. Friedrich Rüdenauer
Dipl.-Ing. Dr. Michael Fehringer
Dr. Walter Steiger
Dipl.-Ing. M. Kammerhofer
alle: Österreichisches Forschungszentrum Seibersdorf Ges.m.b.H., Seibersdorf
Teil II:
o. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. DDr. Willibald Riedler (Projektverantwortlicher)
Dipl.-Ing. Dr. Klaus Torkar (Projektleiter)
Dipl.-Ing. Ernst Göschl
Dipl.-Ing. Christian Kropiunig
Sonja Neukirchner
alle: Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, Graz