Raumfahrtmissionen und -projekte können nur dann erfolgreich sein, wenn die eingesetzten Werkstoffe und Komponenten zuvor unter Weltraumbedingungen auf der Erde getestet werden. Auf der Space Tech Expo Europe, die vom 19. bis 21. November 2019 in Bremen stattfindet, stellt Leybold Systemlösungen mit integrierten Vorvakuum- und Hochvakuumpumpen vor, die der Entwicklung, Herstellung und Erprobung von Raumfahrzeugen, Satelliten und weltraumbezogenen Technologien dienen.
Weltraumantriebe testen
Ein wachsender Anwendungsfall ist beispielsweise das Simulieren und Testen elektrischer Weltraumantriebe, die Raumfahrzeuge bewegen. Dafür werden ionisierte Gaspartikel durch ein elektrisches Feld beschleunigt.
Moderne Ionentriebwerke erzeugen einen Gasstrom von 0,1 bis 10 mg/s. Um ein gutes Hochvakuum bei diesem erheblichen Durchfluss in den Prüfkammern aufrechtzuerhalten, ist ein sehr großes Saugvermögen erforderlich, oftmals im Bereich von 10.000 bis 100.000 l/s.
Die dafür notwendigen, experimentellen Kammersysteme zur Herstellung der Weltraumbedingungen existieren in mehreren Größen. Das reicht von wenigen Litern zum Testen kleiner Objekte wie Leiterplatten bis hin zu mehreren tausend Kubikmetern für den Nachweis der Raumfahrttauglichkeit ganzer Raumschiffe.
Pumpen für problematisches Xenongas
Das Edelgas Xenon ist das schwerste stabile Edelgas und wird aufgrund des hohen resultierenden Schubs in den meisten Fällen für Ionentriebwerke verwendet. Der Vorteil einer großen Antriebsmasse ist für Vakuumpumpen aber eine große Herausforderung. Einer der Gründe ist die schlechte Wärmeleitfähigkeit von Xenongas, die zu kritischen Temperaturanstiegen bei Gastransfer-Vakuumpumpen, wie Turbomolekularpumpen, führt. Außerdem wären viele große Turbomolekularpumpen erforderlich, um das geforderte hohe Saugvermögen zu erreichen.
Leybold hat deshalb eine optimierte und einfache kryogene Lösung für das Pumpen von Xenon entwickelt. Die einstufigen Kaltköpfe vom Typ Gifford-McMahon tragen Metallplatten, die das Xenongas mit einem Saugvermögen am Rande des theoretischen Limits kondensieren sollen.
Druck durchgängig kontrollieren
Da vor dem Test eines Ionentriebwerks ein Enddruck im Bereich von 10 bis 5 Pa – weit unter dem Prozessdruck – erreicht werden muss, um Restgase wie Stickstoff, Sauerstoff und so weiter zu entfernen, benötigen diese Anwendungen auch ein entsprechend leistungsfähiges System aus Vor- und Hochvakuumpumpen. Der Druck ist während des gesamten Prüfprozesses durch geeignete Instrumente zu kontrollieren. Hierzu bietet Leybold nach eigenen Angaben die gesamte Technologie sowie eine optimierende Beratung und kalkulative Auslegung der Systeme.
Der Bedarf an solchen Vakuumprüfkammern steigt in dem Maße, wie die Anzahl der Xenon-Ionentriebwerke für verschiedene Raumfahrtmissionen steigt. Flexibilität und Time-to-Market wird somit zu einem wesentlichen Faktor für den Erfolg dieser Missionen.
