DE102022103408B4

DE102022103408B4 - Elektronenemitter für Raumfahrtanwendungen

Info

Publication number: DE102022103408B4
Application number: DE102022103408.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Tajmar
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2022-02-14
Filing date: 2022-02-14
Publication date: 2024-02-08
Anticipated expiration: 2042-02-15
Also published as: DE102022103408A1

Abstract

Zylindrischer Elektronenemitter (1) für die Satellitenneutralisation in Raumfahrtanwendungen, umfassend:- eine längliche Kathodenanordnung (2);- eine die Kathodenanordnung (2) konzentrisch umgebende zylindrische Anodenanordnung (3), wobei die Anodenanordnung (3) als Lochanode mit einer Gitterstruktur oder mit einer Vielzahl von Öffnungen ausgebildet ist, wobei die Kathodenanordnung (2) mit einer Vielzahl von abstehenden Spitzenelektroden ausgebildet ist und wobei die Kathodenanordnung (2) mit einem CNT (Carbon Nano Tubes)-Garn ausgebildet ist, so dass die Spitzenelektroden durch abstehende Enden von CNT-Fasern gebildet sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Elektronenemitter zur Verwendung in Satelliten, insbesondere mit lonenantrieben, oder elektrodynamischen Tethern.
Technischer Hintergrund
Bei lonenantrieben für Raumfahrtanwendungen wird mithilfe eines elektrischen Felds Treibgas ionisiert. Daraus entstehende Treibgas-Ionen werden anschließend elektrostatisch in einer Auslassrichtung beschleunigt und ausgestoßen, um durch den so erzeugten Rückstoß ein Raumfahrzeug anzutreiben. Diese Art von lonenantrieben wird häufig zur Bahnstabilisierung von Satelliten verwendet. Es sind vielfältige Varianten von lonenantrieben bekannt. Jedoch besteht bei allen Antrieben dieser Art das Problem, dass es aufgrund der Ionisierung des Treibgases zu einem Elektronenüberschuss in dem Raumfahrzeug kommt und sich dieses elektrisch negativ auflädt. Die negative Aufladung kann bei Raumfahranwendungen nur durch Abgabe von negativen Ladungen in den umgebenden Raum verhindert werden. Dazu werden in der Regel Elektronenemitter genutzt. Der Elektronenemitter sorgt dafür, dass unabhängig von dem Ausstoß von Treibgas-Ionen Elektronen in den umgebenden Raum abgegeben werden, wodurch die Ladung des Raumfahrzeugs neutral gehalten werden kann.
Bei einem elektrodynamischer Tether wird ein langer Draht oder ein langes Band zwischen zwei Satelliten-Strukturen mit Strom durchflossen, welches mit dem Erdmagnetfeld interagiert und so Bahnänderungen durchführen kann. Dabei werden Elektronen aus dem Umgebungsplasma durch den Draht/das Seil aufgenommen, welche von einem Elektronenemitter an dem Satelliten wieder abgegeben werden müssen, um einen Stromfluss aufrecht zu erhalten.
Zur Ausbildung von Elektronenemittern sind verschiedene Ausgestaltungen bekannt (siehe Singh et al, „A Review of Electron Emitters for High-Power and High-Frequency Vacuum Electron Devices", IEEE Transactions on Plasma Science 48(10), 3446-3454 (2020)). So kann mithilfe von Hohlkathoden, die aus einem Material mit geringer Austrittsarbeit für Elektronen ausgebildet sind und von Treibstoff durchflutet werden, beim Anlegen einer Spannung ein Niedrigenergieplasma erzeugt werden, aus dem Elektronen bezogen und abgeleitet werden können. Diese Variante eines Elektronenemitters ermöglicht hohe Elektronen-Ströme mit relativ geringen elektrischen Leistungen, aber benötigt eine kontinuierliche Treibstoffzufuhr, so dass die Nutzbarkeit durch die Größe des Treibstoffvorrats beschränkt ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass aufgrund des Treibstoffvorrats das Gewicht eines Raumfahrzeugs erhöht ist.
Zudem sind thermische Kathoden bekannt, die aus einem Material mit geringer Austrittsarbeit ausgebildet sind. Thermische Kathoden müssen geheizt werden, damit Elektronen in signifikanter Menge austreten können. Durch das Anlegen einer Beschleunigungsspannung werden die ausgetretenen Elektronen aus dem Bereich der Kathode entfernt und können abgeführt werden. Aufgrund der hohen Heiztemperatur von über 1.000°C ist die Leistungsaufnahme einer thermischen Kathode sehr hoch und der Elektronenstrom beschränkt. Vor allem in einem Umgebungsplasma sind durch Raumladungseffekte nur elektrische Ströme im Milliampere-Bereich möglich.
Weitere Elektronenemitter nutzen nicht zu beheizende kalte Kathoden, die Spitzen aufweisen, denen eine Loch-Gegenelektrode gegenüberliegt, so dass aufgrund hoher elektrischer Feldstärken an den Spitzen mithilfe von Feldemissionen Elektronen emittiert werden können. Bedingt durch die punktuelle Emission sind über Spitzenkathoden nur sehr geringe Elektronenströme erreichbar, allerdings ist keine Heizspannung notwendig, da Spitzenkathoden auch bei geringen Umgebungstemperaturen verwendet werden können.
Üblicherweise erzeugen die oben skizzierten Varianten von Elektronenquellen einen gerichteten Strahl, was bei Raumfahrtanwendungen wie dem elektrodynamischen Tether nicht notwendig ist.
Die Druckschriften US 2013/0 241 389 A1 , US 7 346 147 B2 , US 10 080 276 B2 , US 2015/0 016 590 A1 , DE 10 2008 029 355 A1 offenbaren Elektronenemitter im Bereich von elektronischen Röhrenbauelementen und Röntgenröhren.
Die Druckschrift DE 698 16 604 T2 offenbart mögliche Materialien eines Feldemissions-Elektronenemitters.
Die Druckschrift KOKAL, U., TURAN, N., CELIK, M.: Thermal Analysis and Testing of Different Designs of LaB6 Hollow Cathodes to Be Used in Electric Propulsion Applications, Aerospace, Vol. 8, 2021, Nr. 8, S. 215 (13 S.), [online], DOI 10.3390/aerospace8080215 beschreibt Designs einer Hohlkathode.
Aus der Druckschrift HARDIMENT, T, BOWDEN, M. D.: „Influence of cathode grid geometry upon mode structure of a transparent cathode discharge". Phys. Plasmas, Vol. 27, 2020, 043506 (14 S.), [online], DOI: 10.1063/1.5143310 sind Kathodengittergeometrien bekannt.
Die Druckschrift BROWN, I.J., SOTIROPOULOS, S.: „Preparation and characterization of microporous Ni coatings as hydrogen evolving cathodes". J. Appl. Electrochem., Vol. 30, 2000, S. 107-111, [online], DOI: 10.1023/A: 1003888402752 befasst sich mit der Beschichtung von Kathoden.
Die Druckschriften DE 10 2019 129 319 A1 , DE 10 2017 117 316 A1 und DE 10 2008 058 212 B4 und US 2011 /0 005 191 A1 betreffen Emissionseinrichtungen für Antriebsanordnungen für Raumfahranwendungen.
Aus den Druckschriften US 10 720 296 B1 und US 2021 / 0 017 967 A1 sind Neutralisatoren für Raumfahranwendungen bekannt.
Die Druckschrift US 2020 / 0 357 595 A1 offenbart eine Feldemissionselektronenquelle zur Nutzung in verschiedenen Anwendungen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Elektronenemitter für Raumfahrtanwendungen zur Verfügung zu stellen, bei dem mit geringem Energieaufwand vergleichsweise hohe ungerichtete Elektronenströme erzeugt werden können und der sehr leicht skaliert werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch den Elektronenemitter für Raumfahrtanwendungen gemäß Anspruch 1 sowie das Raumfahrzeug gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein zylindrischer Elektronenemitter für die Satellitenneutralisation in Raumfahrtanwendungen, vorgesehen, umfassend:

- eine längliche Kathodenanordnung;
- eine die Kathodenanordnung konzentrisch umgebende zylindrische Anodenanordnung, wobei die Kathodenanordnung als Lochanode mit einer Gitterstruktur oder mit einer Vielzahl von Öffnungen ausgebildet ist,

Eine Idee des obigen Elektronenemitters besteht darin, einen Elektronenemitter mit einer länglichen Kathodenanordnung vorzusehen, die im Wesentlichen vollständig von einer konzentrischen zylindrischen Anodenanordnung umgeben ist. Die Kathodenanordnung ist ausgebildet, um mithilfe von Feldemissionen Elektronen in einem zwischen der Kathodenanordnung und Anodenanordnung angelegten elektrischen Feld zu emittieren.
Die Kathodenanordnung kann als Draht, welcher idealerweise aus vielen kleinen Drähten zusammengesetzt sein kann, und ggfs. zudem mit einer Vielzahl von davon abstehenden Spitzenelektroden ausgebildet sein. Die Kathodenanordnung ist im Wesentlichen als eine elektrisch leitende, längliche stabförmige Anordnung mit einer Vielzahl von abstehenden Spitzen ausgebildet, so dass durch die Vielzahl von Spitzenelektroden über Feldemissionen Elektronen emittiert werden können, die in Richtung der Anodenanordnung beschleunigt werden.
Die Anodenanordnung ist als Lochanode in Form eines elektrisch leitenden Gitters ausgebildet. Aus der Kathodenanordnung austretende Elektronen werden somit radial zur länglichen Kathodenanordnung beschleunigt.
Ein solcher Aufbau stellt eine neuartige Geometrie für kalte Kathoden dar, die eine ungerichtete radiale Elektronenemission ermöglicht und sehr einfach skaliert werden kann. Die ungerichtete Abstrahlung von Elektronen eignet sich in besonderer Weise für die Satellitenneutralisation, d. h. den Ausgleich einer durch einen lonenantrieb oder elektrodynamischen Tether bewirkten negativen Aufladung.
Insbesondere das Vorsehen der Kathodenanordnung mit einem Garn aus Carbon Nanotubes oder einer länglichen elektrisch leitenden Trägerstruktur mit davon abstehend angeordneten CNT-Strukturen ermöglicht es, eine Vielzahl von sehr feinen, insbesondere radial abstehender Kathodenspitzen bereitzustellen, so dass eine Elektronenemission über Feldemission an eine Vielzahl von Stellen entlang der Kathodenanordnung möglich ist. Durch das Vorsehen der Kathodenanordnung mit der Vielzahl von Spitzen kann auf kompaktem Raum eine wesentlich höhere Stromdichte durch Elektronenemission bereitgestellt werden, als dies bei punktförmigen Feldemittern möglich ist. Der maximale Strom kann einfach durch die Länge der Kathodenanordnung skaliert werden.
Bisherige CNT Kathoden für Raumfahrtanwendungen haben ausschließlich einen gerichteten Elektronenstrahl erzeugt (siehe Huo et al, „Review on Development of Carbon Nanotube Field Emission Cathode for Space Propulsion Systems", High Voltage 5(1), 409-415 (2020)).
Alternativ kann die Kathodenanordnung mit einem CNT (Carbon Nano Tubes)-Garn ausgebildet sein, bei dem die Oberfläche eine Vielzahl von in axialer Richtung verlaufenden CNT aufweist, so dass auf der Oberfläche des Garns stegartige Strukturen gebildet sind.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine Spannungsquelle zum Bereitstellen einer Betriebsspannung für den Betrieb des Elektronenemitters und das Ausbilden des elektrischen Felds vorgesehen sein.
Weiterhin kann die Anodenanordnung einen Radius aufweisen, der so gewählt ist, dass die Betriebsspannung eine Spannungsschwelle unterschreitet, ab der in einer ionenreichen Umgebung ein Sputtern von Ionen auf die Kathodenanordnung erfolgt.
Durch Verringerung des Durchmessers des durch die Anodenanordnung gebildeten Zylinders kann die Betriebsspannung angepasst werden. Für Anwendungen im niedrigen Erdorbit kann die erforderliche Betriebsspannung zum Erreichen der Feldemission von Elektronen unterhalb der Spannungsschwelle sein, ab der ein Sputtern von Ionen aus der Raumumgebung auf das Garn auftritt. Dadurch kann die Lebensdauer der Emitteranordnung erheblich verbessert werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Kathodenanordnung zumindest teilweise ein Material mit geringer Austrittsarbeit aufweist.
Weiterhin kann die Kathodenanordnung zwischen zwei Halteelementen an Stirnseiten des zylindrischen Elektronenemitters angeordnet sein, wobei die Halteelemente die konzentrische Anordnung der Kathodenanordnung und der Anodenanordnung sicherstellen.
Um die Menge an emittierten Elektronen zu erhöhen, kann die Kathodenanordnung geheizt werden. Dazu kann eine Heizquelle vorgesehen sein. Die Heizquelle kann beispielsweise eine Heizspannungsquelle umfassen, um einen Heizstrom durch die längliche Kathodenanordnung zu führen, so dass diese durch die elektrische Verlustleistung geheizt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Raumfahrzeug, insbesondere mit einem lonenantrieb oder Tether, mit einem Fahrzeugkörper und dem obigen Elektronenemitter vorgesehen, wobei eine Spannungsquelle zum Bereitstellen einer Betriebsspannung für den Betrieb des Elektronenemitters vorgesehen ist, wobei eine negative Polarität der Spannungsquelle mit einem leitenden Element des Fahrzeugkörpers in elektrischer Verbindung steht, um eine sich dort sammelnde negative Ladung abzuführen.
Weiterhin kann zum Betrieb der Elektronenemitter, insbesondere an einem Ausleger, entfernt von dem Fahrzeugkörper anordbar sein, so dass eine axiale Richtung des Elektronenemitters in Richtung des Fahrzeugkörpers weist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen Elektronenemitter;
2 eine Querschnittsansicht durch den Elektronenemitter quer zur axialen Richtung;
3 eine Satellitenanordnung mit einem Elektronenemitter.

Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung entlang der axialen Richtung A eines zylindrischen Elektronenemitters 1 mit einer zwischen zwei Isolatoren angeordneten länglichen Kathodenanordnung 2, die sich entlang der axialen Richtung A erstreckt. Die Kathodenanordnung 2 ist vorzugsweise elektrisch leitend mit einer Vielzahl von abstehenden Elektrodenspitzen ausgebildet. Die Kathodenanordnung 2 ist zwischen zwei stirnseitig angeordneten elektrisch isolierenden Halteelementen 4 gehalten.
Die Kathodenanordnung 2 ist von einer zylindrischen Anodenanordnung 3 umgeben, die die Kathodenanordnung 2 konzentrisch umgibt, so dass die Kathodenanordnung 2 sich entlang der Achse der zylindrischen Anodenanordnung 3 erstreckt. Die Anodenanordnung 3 ist vorzugsweise als Lochanode, d. h. als elektrisch leitfähiges Gitter ausgebildet und von der länglichen Kathodenanordnung 2 in allen radialen Richtungen gleichermaßen beabstandet.
An den Elektronenemitter 1 ist eine elektrische Gleichspannung von einer Spannungsquelle 5 angelegt, mit negativer Polarität an der Kathodenanordnung 2 und positiver Polarität an der Anodenanordnung 3. Beim Anlegen einer Spannung kommt es zu einer radialen Elektronenemission. Dabei werden aufgrund der Vielzahl von Elektrodenspitzen wesentlich höhere Ströme von Elektronen erreicht, als dies bei punktförmigen Feldemittern möglich ist. Die Länge des Elektronenemitters 1 kann beliebig gewählt sein und so die Ladungsmenge an abgegebenen Elektronen eingestellt werden.
Die Kathodenanordnung 2 ist im Querschnitt in 2 detaillierter dargestellt. Die Kathodenanordnung 2 kann als Garn aus CNT-Fasern ausgebildet sein, wie beispielsweise offenbart in „Realizing the Promise of Carbon Nanotubes Challenges“, Opportunities, and the Pathway to Commercialization", Technical Interchange Proceedings, September 15, 2014. Hierin sind Garne aus CNT-Fasern (Kohlenstoffnanoröhrchen, Carbon nanotubes) offenbart, die eine Oberfläche aufweisen, auf sich etwa in axialer Richtung erstreckende Stege aus CNT-Fasern befinden. Die raue Oberfläche ermöglicht eine besonders gute Emission von Elektronen. Alternativ ist auch ein Garn aus Kohlenstoffnanoröhrchen denkbar, bei dem Kohlenstoffnanoröhrchen in radialer Richtung zufällig von einem Kern oder Trägerelement abstehen und damit eine Vielzahl von Elektrodenspitzen ausbilden. Diese ermöglichen eine Feldemission von Elektronen im elektrischen Feld, das zwischen der Anodenanordnung 3 und der Kathodenanordnung 2 angelegt ist.
Alternativ kann die Kathodenanordnung 2 auch mit mikrostrukturiertem hochdotiertem Silizium ausgebildet sein, bei dem abstehende Spitzen aus einem länglichen Siliziumstab durch geeignete Abtragetechniken herausgearbeitet sind. Die Spitzen können in radialer Richtung abstehend mithilfe von Mikrostrukturtechnik ausgebildet sein.
Die Kathodenanordnung 2 kann zur Verbesserung der Elektronenemission geheizt werden. Dazu kann eine Heizspannungsquelle 6 vorgesehen sein, um einen Heizstrom durch die längliche Kathodenanordnung 2 zu führen, so dass diese durch die elektrische Verlustleistung geheizt wird.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Raumfahrzeugs mit einem Fahrzeugkörper, z. B. eines Satelliten, der mit einem lonenantrieb 11 versehen ist. Der lonenantrieb 11 ist in an sich bekannter Weise ausgebildet und gibt einen Strom von positiv geladenen Treibgas-Ionen 12 ab, der zum Ausüben einer Antriebskraft auf den Fahrzeugkörper ausgebildet ist.
Um eine negative Aufladung des Fahrzeugkörpers zu vermeiden, ist an einem Ausleger 13 ein radialer Elektronenemitter 1 vorgesehen, der wie zuvor beschrieben ausgebildet sein kann. Die axiale Richtung des Elektronenemitters 1 ist in Richtung des Fahrzeugkörpers ausgerichtet. Der radiale Elektronenemitter 1 gibt in radialer Richtung ungerichtet Elektronen ab. Durch die radiale Abstrahlung der Elektronen gelangen die Elektronen auch nicht zurück zu dem Fahrzeugkörper.
Das Projekt, das zu diesem Antrag führte, wurde im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 828902 aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union (Horizon 2020) gefördert.
Bezugszeichenliste

1: Elektronenemitter
2: Kathodenanordnung
3: Anodenanordnung
4: Halteelementen
5: Spannungsquelle
6: Heizspannungsquelle
11: lonenantrieb
12: Treibgas-Ionen
13: Ausleger

Claims

Zylindrischer Elektronenemitter (1) für die Satellitenneutralisation in Raumfahrtanwendungen, umfassend: - eine längliche Kathodenanordnung (2); - eine die Kathodenanordnung (2) konzentrisch umgebende zylindrische Anodenanordnung (3), wobei die Anodenanordnung (3) als Lochanode mit einer Gitterstruktur oder mit einer Vielzahl von Öffnungen ausgebildet ist, wobei die Kathodenanordnung (2) mit einer Vielzahl von abstehenden Spitzenelektroden ausgebildet ist und wobei die Kathodenanordnung (2) mit einem CNT (Carbon Nano Tubes)-Garn ausgebildet ist, so dass die Spitzenelektroden durch abstehende Enden von CNT-Fasern gebildet sind.
Elektronenemitter (1) nach Anspruch 1, wobei die Kathodenanordnung (2) zumindest teilweise ein Material mit geringer Austrittsarbeit aufweist.
Elektronenemitter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Kathodenanordnung (2) zwischen zwei Halteelementen (4) an Stirnseiten des zylindrischen Elektronenemitters (1) angeordnet ist, wobei die Halteelemente (4) die konzentrische Anordnung der Kathodenanordnung (2) und der Anodenanordnung (3) sicherstellen.
Elektronenemitter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Spannungsquelle (5) zum Bereitstellen einer Betriebsspannung für den Betrieb des Elektronenemitters (1) vorgesehen ist.
Elektronenemitter (1) nach Anspruch 4, wobei die Anodenanordnung (3) einen Radius aufweist, der so gewählt ist, dass die Betriebsspannung eine Spannungsschwelle unterschreitet, ab der in einer ionenreichen Umgebung ein Sputtern von Ionen auf die Kathodenanordnung (2) erfolgt.
Elektronenemitter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Heizquelle vorgesehen ist, um die Kathodenanordnung (2) zu heizen.
Raumfahrzeug, insbesondere mit einem lonenantrieb (11) oder elektrodynamischen Tether, mit einem Fahrzeugkörper und einem Elektronenemitter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Spannungsquelle (5) zum Bereitstellen einer Betriebsspannung für den Betrieb des Elektronenemitters (1) vorgesehen ist, wobei eine negative Polarität der Spannungsquelle (5) mit einem leitenden Element des Fahrzeugkörpers in elektrischer Verbindung steht, um eine sich dort sammelnde negative Ladung abzuführen.
Raumfahrzeug nach Anspruch 7, wobei zum Betrieb der Elektronenemitter (1) insbesondere an einem Ausleger (13) entfernt von dem Fahrzeugkörper anordbar ist, so dass eine axiale Richtung (A) des Elektronenemitters (1) in Richtung des Fahrzeugkörpers weist.