NanoPPU100

Ausgangssituation / Motivation

Seit fast einem Jahrzehnt entwickelt FOTEC mN-FEEP-Triebwerke (Field Effect Electric Propulsion), die in zukünftigen ESA-Missionen eingesetzt werden sollen. Diese Triebwerke zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, sehr genaue Schübe von 1 µN bis zu mehr als 1 mN bei sehr hohen spezifischen Impulsen von etwa 5000 s zu liefern. FEEP-Triebwerke ermöglichen es Großsatelliten, ihre Position mit bisher unerreichter Genauigkeit zu steuern und so feine Präzisionsmanöver, wie den Formationsflug wissenschaftlicher Satelliten, zu ermöglichen.

Inhalte und Zielsetzungen

Der Kronenemitter, der die Kernkomponente eines FEEP-Triebwerks bildet, wurde von FOTEC für die zukünftige ESA NGGM-Mission entwickelt. Da der Bedarf an Antriebssystemen für Mikro- und Nanosatelliten stetig steigt, wurde begonnen, mN-FEEP-Triebwerke dahingehend weiterzuentwickeln. Für kleine Satelliten kann die Missionsdauer durch kontinuierliche Kompensation der atmosphärischen Bremsung signifikant erhöht werden. Andererseits ermöglicht der hohe spezifische Impuls sehr hohe Delta-V-Manöver bei einer hohen Treibstoffeffizienz.

Methodische Vorgehensweise

Um das Triebwerk den Anforderungen der immer beliebter werdenden CubeSat-Missionen anzupassen, musste das Gehäuse neu gestaltet werden. Parallel dazu wurde eine Power Processing Unit (PPU) entwickelt und in das Thruster-Modul integriert.

Das Ergebnis ist ein hochleistungsfähiges und kompaktes Triebwerkmodul, das den FEEP Emitter selbst, die PPU, den Treibstoff und die Ladungsneutralisatoren enthält und bei einer Masse von 800 g in einem 1-dm³-Volumen Platz findet.

In naher Zukunft soll das erfolgreiche IFM Nano-Triebwerksmodul nicht nur für Nano-Satelliten, sondern auch für größere Satelliten eingesetzt werden, was eine Erhöhung der Ionenleistung von derzeit 25 W auf 75 W erfordert.

Die vorliegende PPU ist jedoch nicht in der Lage ausreichende Leistung für eine solche Anwendung liefern. Da trotz der höheren Ausgangsleistung ein kleiner Formfaktor (aktuell 90 x 94 mm x 19 mm) eingehalten werden muss, ist eine komplette Neugestaltung der PPU mit einem angepassten thermischen Konzept erforderlich.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, Verluste zu verringern die mit der Erwärmung des metallischen Treibstoffs verbunden sind, um die Menge der erforderli-chen Heizleistung zu minimieren.

Ein dritter Punkt ist die Ableitung unvermeidbarer Verlustwärme, was ein verbessertes Wärmemanagementsystem erfordert.

In diesem Projekt soll die IFM Nano Thruster PPU von Grund auf neu konzipiert werden, um elektronische Verluste von Anfang an zu minimieren. Für das Wärmemanagement müssen verschiedene Technologien - einschließlich Wärmeleitbänder, konventionelle und 3D-gedruckte Heat pipes - bewertet und die beste Lösung identifiziert werden. Auch thermische Verluste innerhalb des Gehäuses müssen analysiert und durch Beschichtungen, thermische Abschirmung oder Isolierung minimiert werden.

Erwartete Ergebnisse

Ziel ist eine 100 W PPU, die In-FEEP-Module mit 75 W Ionenleistung antreiben kann, die in der nächsten Generation von mN-FEEP-Triebwerken bei mehreren zukünftigen ESA-Missionen eingesetzt werden sollen.

Projektleitung

FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH

Projektpartner:innen

ENPULSION GmbH

FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH
Dr. Christoph Buchner
Viktor Kaplan-Strasse 2
A-2700 Wiener Neustadt