Vakuum-Equipment für Simulation und Test von Weltraumanwendungen

Weltraummissionen gehören zu den teuersten Forschungsprojekten der Menschheit und können schnell mehrere Milliarden Euro kosten. Um zu gewährleisten, dass die entsprechenden Komponenten auch in den im Weltraum herrschenden Vakuumbedingungen funktionieren, werden diese mit geeigneten Pumpen und Systemen auf der Erde technisch erzeugt. Leybold liefert dafür die Technologie als ganzheitlicher Anbieter – bis hin zum Ultrahochvakuum.

Die Produktlösungen unterstützen die Entwicklung, Herstellung und Erprobung von Raumfahrzeugen, Satelliten und weltraumbezogenen Technologien. Die standardisierten und spezifischen Systemlösungen mit integrierten Vorvakuum- und Hochvakuumpumpen werden individuell auf die jeweiligen Anforderungen zugeschnitten.

Weltraumantriebe für Raumfahrzeuge

Ein wachsender Anwendungsfall ist zum Beispiel das Simulieren und Testen von elektrischen Weltraumantrieben zur Bewegung von Raumfahrzeugen. Dafür werden ionisierte Gaspartikel durch ein elektrisches Feld beschleunigt. Moderne Ionen-Triebwerke 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 – oft im Bereich von 10.000 bis 100.000 l/s.

Die dafür notwendigen experimentellen Kammersysteme zur Herstellung der Weltraumbedingungen existieren in allen Größen: von wenigen Litern zum Testen kleiner Objekte wie Leiterplatten bis hin zu mehreren tausend m³ für den Nachweis der Raumfahrttauglichkeit ganzer Raumschiffe. 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 aber eine große Herausforderung für Vakuumpumpen. 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.

Zum Pumpen von Xenongas

Leybold hat eine optimierte und einfache kryogene Lösung für das Pumpen von Xenon entwickelt. Die starken einstufigen Kaltköpfe vom Typ Gifford-McMahon tragen Metallplatten, die das Xenongas mit einem Saugvermögen am Rande des theoretischen Limits kondensieren.

Da es vor dem Test eines Ionentriebwerks notwendig ist, einen Enddruck im Bereich von 10-5 Pa - weit unter dem Prozessdruck - zu erreichen, um Restgase wie Stickstoff, Sauerstoff usw. zu entfernen, benötigen diese Anwendungen auch entsprechend leistungsfähiges System aus Vor- und Hochvakuumpumpen. Der Druck muss während des gesamten Prüfprozesses durch geeignete Instrumente kontrolliert werden. Leybold liefert die gesamte notwendige Technologie sowie eine optimierende Beratung und kalkulative Auslegung der Systeme aus einer Hand.

Hochvakuum, Ultrahochvakuum und extrem hohes Vakuum

Der Bedarf an solchen Vakuumprüfkammern steigt in dem Maße, wie die Anzahl der Xenon-Ionen-Triebwerke für verschiedene Raumfahrtmissionen steigt. Flexibilität und time-to-market wird somit zu einem wesentlichen Faktor für den Erfolg dieser Missionen.