Antriebssysteme

Elektrische Raumfahrtantriebe

Das Fraunhofer IKTS entwickelt Schlüsseltechnologien für elektrische und chemische Antriebssysteme in der Raumfahrt. Sie dienen der Lageregelung und dem Orbit-Transfer sowie dem De-Orbiting von Satelliten am Ende ihrer Lebensdauer, um Weltraummüll zu vermeiden. Der Fokus liegt auf keramischen Materialien für elektrische Raumfahrtantriebe (z. B. Ionen- oder Hallantriebe), Zündsysteme für Mikro-Launcher sowie reaktive Triebwerkskomponenten. 

Elektrische Antriebe sind essenziell für Langzeitmissionen, Satellitenmanöver und interplanetare Raumfahrt. Hierfür finden Elektrid-Materialien als Kathoden in Elektronen-emittie­renden Baugruppen Verwendung. Das Fraunhofer IKTS entwickelt Elektrid-Materialien – wie das oxidkeramische Material C12A7 (12CaO·7Al₂O₃) – die bereits bei Temperaturen deutlich un­terhalb 1000 °C einen applikationsrelevanten Ausstoß von Elektronen ermöglichen. An gesinterten Hohlkathoden aus reinem C12A7 konnten Austrittsarbeiten von 2,37 eV und eine Richardson- Konstante von über 8 Acm^-2 K^-2 gemessen werden.

Das Elektrid C12A7 lässt sich beispielsweise in Form einer Beschichtung für elektrodynamische und treibstoff­freie Antriebe (Deorbit-Kit) genutzt werden, die ein kontrolliertes Entfernen ausgedienter Satelliten aus dem Orbit ermöglichen. Darüber hinaus kann C12A7 als Hohlkathode für neuartige, effektivere Satelliten-Ionenantriebe auf Basis von Jod anstelle von Xenon eingesetzt werden. C12A7 verspricht eine verbesserte Stabilität gegenüber den Jod-Ionen und soll so eine hohe Lebensdauer gewährleisten.

Highlights
 

• Elektronen-emittierende Keramik für Satellitenantriebe auf Basis von C12A7 mit extrem niedriger Austrittsarbeit, hoher Stromdichte bei niedriger Temperatur
• Elektrische Kontaktierungstechnologien für keramische Materialien bei >1200 K

Für chemische Antriebe und Mikro-Launcher entwickelt das Fraunhofer IKTS hochtemperatur- und korrosionsstabile Komponenten. Diese Komponenten sind ideal für wiederverwendbare Trägersysteme und flexible Startplattformen. Ein Entwicklungsschwerpunkt liegt dabei auf hochintegrierten Konzepten durch die Kombination von additiver Fertigung und Siebdruck. Diese Technologie ermöglicht eine deutlich höhere Gestaltungsfreiheit und erlaubt die komplexe Integration funktionaler Elemente in Hochleistungskeramiken – ein entscheidender Schritt für die nächste Generation effizienter und robuster Antriebssysteme.

So können beispielsweise innovative Reaktoren gefertigt werden, die Wasserstoffperoxid (H₂O₂) anstatt des teuren und giftigen Treibstoffs Hydrazin verwenden. Die Zersetzung von H₂O₂ erfolgt üblicherweise katalytisch, was jedoch kostenintensiv und wenig dynamisch ist. Eine vielversprechende Alternative ist die thermisch induzierte Zersetzung von H₂O₂, die ohne Katalysatoren auskommt. Ein integriertes Heizsystem sorgt dabei für eine schnelle chemische Reaktion und die komplexe Geometrie des Reaktors für eine optimale Strömungsführung. Durch die Kombination von elektrisch leitfähigem und nichtleitfähigem Si₃N₄-SiC-MoSi₂ können zudem auch hochkomplexe Zünder realisiert und eingebettet werden. Diese sind bei Temperaturen bis über 1000 °C einsetzbar.

Highlights

• Zündsysteme mit hoher Temperatur- und Spannungsfestigkeit
• Reaktorkomponenten mit präziser thermischer Steuerung und hoher chemischer Beständigkeit
• Düsen aus SiC oder CMC (Ceramic Matrix Composites) mit Hochtemperaturbeständigkeit (> 2000 °C), hoher Korrosionsstabilität und geringem Gewicht
  

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• Funktionalisierung von additiv gefertigten Keramikkomponenten über Dickschichttechnologien