DE102007041410A1

DE102007041410A1 - Segelfolie für einen Solarsegler

Info

Publication number: DE102007041410A1
Application number: DE102007041410A
Authority: DE
Inventors: Franz Dr. Lura; Marianne Dipl.-Ing. Görlich
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2007-04-03
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2027-09-01
Also published as: DE102007041410B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Segelfolie (1) für einen Solarsegler, umfassend eine Vorderseite (V) und eine Rückseite (R), wobei mindestens die Vorderseite (V) eine Aluminiumschicht (3) aufweist, wobei mindestens die Vorderseite (V) einen dreischichtigen Aufbau aus einer Aluminium-, Siliziumdioxyd- und einer Titandioxyd-Schicht (3, 4, 5) aufweist, wobei die Titandioxyd-Schicht (5) die äußere Oberfläche bildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Segelfolie für einen Solarsegler, umfassend eine Vorderseite und eine Rückseite, wobei mindestens die Vorderseite eine Aluminiumschicht aufweist.
Solarsegler, auch Sonnensegler oder englisch Solar Sails genannt, sind Raumfahrtgeräte. Sie nutzen die Impulsübertragung von Photonen auf einen passiven, großflächigen Reflektor als Antriebskonzept. Infolgedessen kann auf ein aktives Antriebssystem sowie den hierfür benötigten Treibstoff verzichtet werden, was die in den Orbit zu befördernde Masse entsprechend dramatisch reduziert. Technologisch ist es erforderlich, sehr großflächige Segelfolien einzusetzen, die beispielsweise Abmessungen von 100 m × 100 m besitzen. Derartige Flächen können nicht in aufgefalteter Form vom Erdboden in den Orbit verbracht werden. Entsprechend muss vor der Überführung in den Orbit eine zusammengefaltete Struktur eingesetzt werden.
Aus der DE 198 25 785 A1 ist eine Segelfolie bekannt, bestehend aus einem metallbedampften hochplastischen Polyimid oder einem anderen temperaturbeständigen Polymerwerkstoff. Extrem dünne metallische Folien sind prinzipiell auch geeignet. Üblicherweise wird als Metallbeschichtung Aluminium gewählt, das ein- oder beidseitig auf die Folie aufgebracht wird. Die dabei der Sonne zugewandte Seite (Vorderseite) der Segelfolie muss eine möglichst gute Reflexion aufweisen, wozu üblicherweise die Aluminiumschicht dient. Die der Sonne abgewandte Seite (Rückseite) der Segelfolie soll möglichst optimal Wärme abstrahlen. Daher ist es auch bekannt, diese Rückseite mit Chrom/schwarz zu beschichten. Dies ist thermooptisch zwar günstig, führt aber unter anderem zu unterschiedlichem thermomechanischem Verhalten der Folien und resultiert meist in einer beträchtlichen Neigung zum "Krumpfen" bzw. "Einrollen" der so beschichteten Folienstreifen, was zu erheblichen Anwendungsproblemen führt.
Aus der US-4,614,319 sind verschiedene Schichten für Solarsegel bekannt. Dabei wird neben reinen Aluminiumschichten auch Nickel als zusätzliche Verstärkungsschicht oder alleine als alternative Reflexionsschicht vorgeschlagen. Weiter werden auch reine Titanschichten mit einer Dicke zwischen 150–2000 nm vorgeschlagen. Schließlich wird auch noch die Verwendung von SiO als ca. 2,5 nm dicke Schicht auf dem Aluminium vorgeschlagen, um die thermische Stabilität zu erhöhen.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein im Wirkungsgrad verbessertes Solarsegel zu schaffen.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Segelfolie für einen Solarsegler umfasst eine Vorderseite und eine Rückseite, wobei mindestens die Vorderseite eine Aluminiumschicht aufweist, wobei mindestens die Vorderseite einen dreischichtigen Aufbau aus einer Aluminium-, Siliziumdioxyd- und einer Titandioxyd-Schicht aufweist, wobei die Titandioxyd-Schicht die äußere Oberfläche bildet. Dabei kann der dreischichtige Aufbau auf eine separate Trägerfolie, beispielsweise aus Polyimid oder einem anderen Polymerwerkstoff, aufgebracht sein oder aber die innere Aluminiumschicht selbst bildet die Trägerfolie. Der gewählte Schichtaufbau führt zu einer signifikanten Erhöhung der Reflexionen gegenüber einfachen Aluminiumschichten von mehreren Prozent insbesondere im Bereich des solaren Maximums. Daraus resultiert ein höherer Antriebseffekt durch den Strahlungsdruck der Sonne. Des Weiteren macht die TiO₂-Beschichtung für die Außenoberfläche die Segelfolie besonders resistent gegen Degradation der thermooptischen Eigenschaften und erhöht damit die Raumfahrttauglichkeit.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist auch die Rückseite der Segelfolie mit dem dreischichtigen Aufbau ausgebildet. Dieser gleichmäßige Aufbau von Vorder- und Rückseite hat mehrere Vorteile. Zum einen ist ein gleichförmiger Aufbau technologisch einfacher zu handhaben, was eine kostengünstigere Fertigung erlaubt. Des Weiteren gibt es aufgrund der gleichen Beschichtung und damit gleichen Ausdehnungsverhalten keine Neigung zum Krumpfen oder Einrollen der Folie. Der größte Vorteil ist jedoch, dass die Folie einen höheren Emissionskoeffizient aufweist und damit eine bessere Abstrahlung von eingetragener Wärme über Vorder- und Rückseite ermöglicht. Dies ist insbesondere für sonnennahe Bahnen von Bedeutung, da man nun näher an die Sonne heransegeln kann und so viel mehr Schwung holen kann, um das Raumschiff entsprechend des "gravity assist effect" zusätzlich zu beschleunigen. Der Grund hierfür liegt in der höheren Emission von TiO₂ gegenüber Aluminium, wobei die Emission primär durch die oberste Schicht festgelegt ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Schichtdicke des Aluminiums mindestens größer als 30 nm, weiter vorzugsweise größer 80 nm und weiter vorzugsweise größer 100 nm. Ein besonders bevorzugter Wert liegt zwischen 80–120 nm, bevorzugt bei 100 nm. Die Dicke muss dabei ausreichend dick gewählt werden, um eine hohe Reflexion und Stabilität aufzuweisen und so dünn wie möglich, um die mechanische Flexibilität der Folie zu gewährleisten, so dass die Dicke maximal 200 nm betragen sollte.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt die Schichtdicke des Siliziumdioxyds zwischen 5–100 nm, vorzugsweise zwischen 10–85 nm, weiter vorzugsweise zwischen 30–80 nm. Die Hauptaufgabe des SiO₂ ist dabei, durch Mehrfach-Reflexionen den Reflexionsfaktor zu erhöhen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt die Schichtdicke des TiO₂ zwischen 5–100 nm, weiter vorzugsweise zwischen 10–80 nm und besonders bevorzugt zwischen 30–65 nm.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Schichten aufgedampft.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1 einen schematischen Aufbau einer Segelfolie im Querschnitt,
2a einen Ausschnitt aus dem Sonnenspektrum und
2b Reflexionskurven von unterschiedlichen Beschichtungen.
Die Segelfolie 1 umfasst eine Trägerfolie 2, auf die jeweils auf die Vorderseite V und die Rückseite R eine Aluminiumschicht 3 aufgedampft ist. Auf die Aluminiumschichten 3 sind dann jeweils eine Siliziumdioxyd-Schicht 4 und eine Titandioxyd-Schicht 5 aufgedampft, wobei letztere die äußere Oberfläche der Segelfolie 1 bildet. Dabei sei angemerkt, dass prinzipiell auch auf die Trägerfolie 2 verzichtet werden kann, so dass dann die beiden Aluminiumschichten 3 zusammenfallen. Wie ersichtlich, ist dabei die Segelfolie 1 völlig symmetrisch bezüglich Vorderseite V und Rückseite R aufgebaut.
In der 2a ist ein Teil des Sonnenspektrums über der Wellenlänge in nm dargestellt, wobei die emittierte Strahlung in W/m² × nm angegeben ist. Das Maximum 6 der spektralen Emission ist durch eine vertikale Linie durch die 2a und b gekennzeichnet. In der 2b ist das Reflexionsvermögen verschiedener Schichten in % über der Wellenlänge in nm aufgetragen.
Der Verlauf a) zeigt das Reflexionsverhalten einer reinen Aluminiumschicht einer Dicke von größer/gleich 100 nm. Der Verlauf b) zeigt das Reflexionsverhalten einer dicken Aluminiumschicht (größer/gleich 100 nm), auf deren Oberseite 100 nm Titandioxyd aufgedampft sind. Der Verlauf c) zeigt das Reflexionsverhalten einer dicken Aluminiumschicht mit einer aufgedampften 100 nm Siliziumdioxyd-Schicht und der Verlauf d) der erfindungsgemäßen Schichtenfolge mit Aluminium (größer/gleich 100 nm), Siliziumdioxyd (80 nm) und Titandioxyd (57 nm). Wie ersichtlich, ist die Reflexion des Verlaufs d) über den gesamten Bereich größer als von Verlauf a), wobei die Abweichung im Bereich des Maximums 6 sogar mehr als 5% beträgt. Neben der verbesserten Reflexion weist diese Schichtenfolge auch eine bessere Emission im Vergleich zu Aluminium alleine auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19825785 A1 [0003]
- US 4614319 [0004]

Claims

Segelfolie für einen Solarsegler, umfassend eine Vorderseite und eine Rückseite, wobei mindestens die Vorderseite eine Aluminiumschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Vorderseite (V) einen dreischichtigen Aufbau aus einer Aluminium-, Siliziumdioxyd- und einer Titandioxyd-Schicht (3, 4, 5) aufweist, wobei die Titandioxyd-Schicht (5) die äußere Oberfläche bildet.
Segelfolie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Seiten (V, R) der Segelfolie (1) mit dem gleichen Schichtenaufbau ausgebildet sind.
Segelfolie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des Aluminiums (3) größer 30 nm ist.
Segelfolie nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des Siliziumdioxyds (4) zwischen 5–100 nm liegt.
Segelfolie nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des Titandioxyds (5) zwischen 5–100 nm liegt.
Segelfolie nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (3, 4, 5) aufgedampft sind.