Vakuum für die Weltraumforschung und Simulation von Weltraumbedingungen

Prüfungen für Ionenmotoren wie Hochfrequenz-Ionentriebwerke, Hall-Effekt-Triebwerke und andere plasmabasierte Antriebssysteme erfordern Vakuumumgebungen, in denen der Hintergrunddruck und der Partialdruck des Treibstoffs niedrig genug gehalten werden, um anlagenbedingte Veränderungen der Ausdehnung des Auspuffs und der Strahleigenschaften zu vermeiden.

Je nach Triebwerkstyp und Treibmittel-Durchfluss liegen die Betriebsdrücke in der Regel im Bereich zwischen 10^-7 hPa (mbar) bis hin zu mehreren 10^-5 hPa (mbar).

Beim Elektroantrieb kommen häufig Edelgase wie Xenon or Krypton als Treibmittel zum Einsatz, deren hohes Molekulargewicht und hohe Durchflussraten sehr spezielle Anforderungen an das Vakuumsystem stellen.

Pfeiffer bietet skalierbare Pumpenkonzepte – von kompakten Turbomolekular-Vakuumpumpeneinheiten für Laboreinrichtungen bis hin zu Hochdurchsatzsystemen für umfassende Triebwerkstests. Sie sind so konzipiert, dass sie einen stabilen Druck unter kontinuierlicher Edelgaslast aufrechterhalten. Integrierte Druckmessung und Restgasanalyse (RGA) ermöglichen die kontinuierliche Überwachung der Gaszusammensetzung und die Überprüfung des Testumfangs der Anlage während des Betriebs.

Chemische Antriebstests, auch für Raketentriebwerke, erzeugen sehr hohe Gaslasten und abrupte Lastübergänge, insbesondere während der Zündung. Um unter diesen Konditionen einen stabilen Gegendruck aufrechtzuerhalten, muss das Vakuumsystem ein hohes Saugvermögen liefern und schnell auf sich ändernde Durchsätze reagieren.

Pfeiffer erreicht dies mit seinen Vakuum-Booster-Pumpeneinheiten, die Vakuum-Booster mit trockenlaufenden Schraubenpumpen kombinieren. Dieses Design verteilt die Gaslast auf mehrere Stufen, verhindert eine thermische Überlastung und sorgt für den erforderlichen Durchsatz im Grob- und Feinvakuumbereich.

Der frequenzgeregelte Betrieb ermöglicht eine Anpassung des Saugvermögens an die vorübergehende Gaslast. Die Systemleistung kann mit Stufenlasttests mit großer Öffnung verifiziert werden, die das erwartete Lastprofil vor der Zündung reproduzieren.

Für explosionsgefährdete Bereiche, in denen leicht entflammbare Treibstoffe oder Zündquellen in Betracht gezogen werden müssen, sind ATEX-konforme Konfigurationen erhältlich.

In einer thermischen Vakuumkammer (TVAC), werden zur Simulation von Weltraumumgebungen Vakuum-Konditionen und definierte Temperaturumgebungen erzeugt.

Die Wärmeübertragung erfolgt ohne Konvektion, sodass die Temperatur durch externe Heizungs- oder Kühlkonzepte wie Wärmeschilde geregelt wird. So können Komponenten unter weltraumrelevanten Druck- und Temperaturbedingungen auf Stabilität und Leistung geprüft werden.

Ionentriebwerke ionisieren ein Treibgas wie Xenon und beschleunigen die Ionen durch elektrische Felder oder Magnetfelder. Der daraus resultierende Ionenstrahl erzeugt einen niedrigen, aber kontinuierlichen Schub, der einen effizienten Langzeitantrieb für die Satellitenpositionierung und Missionen im äußeren Weltraum ermöglicht.

Die Raumfahrt beruht auf Newtons drittem Gesetz: Wenn Massen in eine Richtung geschleudert werden, entsteht eine Bewegung in die entgegengesetzte Richtung.

Chemische Motoren stoßen heiße Abgase aus, während Elektroantriebe geladene Partikel beschleunigen. Selbst ohne Luft liefert die ausgestoßene Masse die Reaktionskraft, die die Bewegung des Raumfahrzeugs erzeugt.

Die Druckanforderungen hängen von der Anwendung ab. Viele thermische Vakuum- und Materialprüfungen werden im Feinvakuumbereich durchgeführt, während elektrische Antriebstests häufig ein Ultrahochvakuum (UHV) erfordern, um eine Verzerrung des Ionenstrahls und unerwünschte Wechselwirkungen zwischen Treibstoffpartikeln und der Anlage zu verhindern.

Materialien, die für weltraumbezogene Vakuumprüfungen verwendet werden, müssen eine geringe Ausgasung, ein stabiles mechanisches Verhalten unter thermischen Zyklen und saubere, vakuumkompatible Oberflächen aufweisen.

Edelstahl ist das Standardmaterial für Vakuumkammern und interne Komponenten, da er von Natur aus eine geringe Ausgasung aufweist. Edelstahloberflächen von Kammern und Bauteilen werden üblicherweise glasperlengestrahlt, geschliffen, gefräst oder elektropoliert. Eine angemessene Reinigung und leckdichte Montage sind unerlässlich, und um die oberflächenbezogenen Gaslasten weiter zu reduzieren, wird häufig ausgeheizt.

Restgase sind überwiegend auf Elastomerdichtungen zurückzuführen. Darüber hinaus werden im Prüfling häufig überwiegend Materialien, wie Polymere, Lacke, Klebstoffe und elektrische Bauteile verwendet. Diese Materialien werden daher anhand standardisierter Screening-Parameter wie dem Gesamtmasseverlust (engl. Total Mass Loss, TML) und den gesammelten flüchtigen kondensierbaren Materialien (engl. Collected Volatile Condensable Materials, CVCM) bewertet, wie sie in den NASA- und ECSS-Materialprüfnormen definiert sind.

Beim Vakuum-Ausheizen werden unter Vakuum adorbiertes Wasser und flüchtige Verbindungen durch Heizen entfernt. Dies reduziert das Risiko einer Verunreinigung von Optik, Detektoren oder Antriebs-Hardware und trägt dazu bei, einen stabilen Druck bei nachfolgenden Tests zu erreichen.

Ausheizen ist ein typischer Schritt in Materialprüfungs- und Qualifizierungsprozessen.

Schadstoffe können im Vakuum auf kalten Oberflächen wandern und kondensieren, was sich auf optische Beschichtungen, die Leistung des Detektors oder Thermokontrolloberflächen auswirkt.

Saubere Oberflächen, ausgasungsarme Materialien und kontrollierte Vakuum-Konditionen stellen sicher, dass die Testergebnisse das Verhalten im Weltraum genau widerspiegeln.

Ionenantriebstests erfordern in der Regel ein Vakuumniveau im Bereich von 10^-7 hPa (mbar) bis zu mehreren 10^-5 hPa (mbar), je nach Treibmitteldurchfluss und Triebwerkstyp.

Vakuumsysteme müssen ein hohes Saugvermögen bieten, um den Ausstoß von Xenon oder Krypton zu entfernen und einen stabilen Gegendruck aufrechtzuerhalten. Die Restgasanalyse kann zur Überwachung der Gaszusammensetzung während des Propellerbetriebs verwendet werden.

Jede Testanforderung ist einzigartig. Pfeiffer designt und baut kundenspezifische thermische Vakuumkammern und integrierte Vakuumpumpeneinheiten, die auf spezifische Einsatzprofile zugeschnitten sind.

Ganz gleich, ob das Ziel die Ionentriebwerks-Rauchgasanalyse, Materialausgasungsstudien oder die Beschichtung von Teleskopspiegeln ist, unsere Ingenieure bieten End-to-End-Support – vom Design und der Berechnung des Systems bis hin zu Installation, Kalibrierung und Service.

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Pfeiffer kombiniert mehr als 130 Jahre Erfahrung in der Vakuumtechnik mit fundiertem Know-how über Anwendungen in der Luft- und Raumfahrtforschung. Von kompakten Universitätsprüfständen bis hin zu vollwertigen Antriebsanlagen liefern wir komplette Systeme – Vakuumkammern, Pumpen, Messgeräte und Analysewerkzeuge -, die stabile, verunreinigungsfreie und wiederholbare Testbedingungen gewährleisten.

Unser globales Servicenetz und die enge Zusammenarbeit mit Forschungsinstituten machen Pfeiffer zu einem vertrauenswürdigen Partner für die Reproduktion der Weltraumbedingungen auf der Erde.

Elektroraketen sind Antriebssysteme, die mit elektrischer Energie Treibgase wie Xenon ionisieren und beschleunigen. Sie erzeugen einen niedrigen, aber kontinuierlichen Schub und arbeiten unter Hoch- oder Ultrahochvakuumbedingungen

Chemische Raketen erzeugen Schub durch Verbrennung von Treibmitteln, die heiße Abgase und einen hohen Massendurchfluss erzeugen. Sie erfordern Vakuumsysteme, die große Gaslasten und schnelle Transienten während der Zündung im Griff haben.

Pfeiffer kombiniert mehr als 130 Jahre Erfahrung in der Vakuumtechnik mit fundiertem Know-how über Anwendungen in der Luft- und Raumfahrtforschung. Von kompakten Universitätsprüfständen bis hin zu vollwertigen Antriebsanlagen liefern wir komplette Systeme – Vakuumkammern, Pumpen, Messgeräte und Analysewerkzeuge -, die stabile, verunreinigungsfreie und wiederholbare Testbedingungen gewährleisten.

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