Institutsleiter

Prof. Dr.-Ing.
Stefanos Fasoulas

Stellvertreter

Prof. Dr.-Ing. Sabine Klinkner

Prof. Dr. rer. nat. Alfred Krabbe

Sekretariat
Prof. Fasoulas

Larissa Schunter

Sekretariat
Prof. Klinkner

Annegret Möller

Sekretariat
Prof. Krabbe

Barbara Klett

Administration

Dr. Thomas Wegmann

 


Institut für Raumfahrtsysteme
Pfaffenwaldring 29
70569 Stuttgart

Tel. +49 711 685-69604
Fax +49 711 685-63596

Direkt zu

 

IEC

Ansprechpartner: C.Syring

Historie

Der elektrostatische Trägheitsschluss (engl. inertial electrostatic confinement (IEC)), ursprünglich von Farnsworth[1] erdacht, wurde erstmals experimentell von R. Hirsch [2] in den 70er Jahren studiert. Bis Anfang der 90er Jahre war die Forschung auf diesem Gebiet jedoch eher zurückhaltend. Erst mit R. W. Bussard [3] und G. H. Miley [4] erhielt das IEC Konzept wieder vermehrt Aufmerksamkeit und das Wissen auf diesem Gebiet wurde mittels vieler experimenteller und numerischer Studien intensiv erweitert und vertieft. Die Untersuchung verschiedener IEC Designs wurde vorangetrieben, so dass heute mehrere IEC Aufbauten bekannt sind, wie z. B. die Single-Grid-Anordnungen [4], Multiple-Grid Designs [5] oder magnetisch-elektrostatische Hybridversionen [3]. Alle diese Konzepte wurden für den Betrieb mit Fusionsprozessen entwickelt. Für diese Art von Fusionsgeräten ist allerdings derzeit keine Produktion von Überschussenergien zu erwarten. Dennoch hat über Jahrzehnte gewonnenes Wissen die Fusionsraten in die genannten Varianten erhöht und ihre Performance optimiert, so dass sie für kommerzielle Anwendungen als Neutronenquellen von bspw. Daimler Chrysler Aerospace (IEC star-mode fusion neutron source, R&D) in Betracht gezogen wurden [6]. Des Weiteren sprechen Einfachheit des Designs und Skalierbarkeit für die Weiterentwicklung dieser Geräte. Heute treibt Gradel sarl (Project "NSD Gradel Fusion", ehemals die NSD Fusion GmbH) in Europa die Verbesserung von kommerziellen IEC Geräten voran, unter anderem für die Gepäckkontrolle oder Neutronenradiografie.

 

[1] Farnsworth, F., US Patent 3 258 402, 1966

[2] Hirsch, Robert L., Inertial-Electrostatic Confinement of Ionized Fusion Gases, Journal of Applied Physics, Vol. 38 Nr. 11, 1967, S. 4522–4534

[3] Bussard, R. W., Krall, N., Inherent Characteristics of Fusion Power Systems: Physics, Engineering and Economics, Fusion Technology, 26, 1994, S. 1–10

[4] Miley, G., Gu, Y., DeMora, J. M., Stubbers, R. A., Hochberg, T., Nadler, J., Anderl, R. A., Discharge Characteristics of the Spherical Inertial Confinement (IEC) Device, IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 25 Nr. 4, 1997, S.733–739

[5] Barnes, D. C, Nebel, R. A; Turner, L., Production and Application of Dense Penning Trap Plasmas, Physical Fluids B, Vol. 5, 1993, S. 3651–3660

[6] Miley, G., Sved, J., The IEC Star-Mode Fusion Neutron Source for NAA-Status and Next-Step Designs, Journal of Applied Radiation and Isotopes, Vol. 53, 2000, S. 779–783

 

 

Anwendung am IRS

 

  • Elektrische Raumfahrtantriebe:

    • Ionentriebwerk mit hohem Isp

    • Fusionsgestütztes Triebwerk

  • Referenzfall für PICLas Code (Modellierung und Simulation

    von hoch verdünnten Plasmaströmungen), die eine Kooperation der Uni Stuttgart-IRS, Uni Stuttgart-IAG und KIT-IHM ist.

  • Simulation von natürlichen Plasmen: IRS kooperiert mit dem Center for Astrophysics, Space Physics and Engineering Research an der Baylor University im Bereich der Entwicklung von Anlagen zur Simulation von komplexen (z. B. staubigen) Plasmen

 

Funktionsprinzip
IEC_abb_01_farnsworth
Der ursprüngliche Reaktor, welcher von Farnsworth erfunden und von Hirsch verbessert wurde, besteht aus einem sphärischen, konzentrischen und stark negativ geladenem Gitter innerhalb einer geerdeten, evakuierten sphärischen Kammer. Die Kammer wird mit einem Treibstoff geflutet. Ionen, die durch eine Glimmentladung zwischen Anode und Kathode generiert werden oder durch andere Ionenquellen entstehen, werden in das Gitterzentrum durch das negative Potential am Gitter beschleunigt. 

Gelegentlich können Fusionsprozesse registriert werden, wenn die Ionenenergien ausreichend hoch sind. Die Mehrzahl an Ionen ist jedoch nicht an den Fusionsprozessen beteiligt und verlässt das Gitterzentrum wieder. Durch den Potentialgradienten zwischen Anode und Kathode werden sie langsamer und werden wieder in das Zentrum beschleunigt. Relevante Fusionsprozesse treten bei Beschleunigungsspannungen von 15 bis 20 kV auf. Unterhalb dieser Entladungsspannung können diese Geräte in einem nicht-Fusions Modus betrieben werden. Abhängig von der bevorzugten Anwendung sind bestimmte Betriebsmodi relevant, die durch ihre Entladungsphänomene unterschieden werden: Central Spot Mode, Star Mode und Jet Mode.

Diese Entladungsphänomene können durch die Gittergeometrie beeinflusst werden, z. B. durch die Größe der Gitteröffnungen. Für eine Anwendung als Raumfahrtantrieb in einem Nicht-Fusions-Modus ist der Jet-Mode die relevante Betriebsbedingung. Aber um

das Gesamtverständnis zu vertiefen ist es notwendig auch die anderen Entladungsphänomene zu verstehen. Der Star Mode kann unter bestimmten Betriebsbedingungen und einem symmetrischen Kathoden-Gitter erreicht werden. Charakteristisch für diesen Modus ist ein symmetrischer Fluss von Teilchen durch das Kathoden-Gitter in sogenannten "Microchannel". Allerdings können hierdurch schnelle Ionen aus dem Kathodeninneren nicht entkommen. Hierfür muss die Potentialoberfläche der Kathode mehr gestört werden, wie durch eine vergrößerte Gitteröffnung, welches dann den Jet Mode erzwingt. Entsprechend der gängigen Theorie, können Elektronen das System verlassen und ziehen dann Ionen mit sich. Aktuelle Forschungsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass auch andere Phänomene wie Quasineutralitätsverletzungen bei der Auskopplung eine Rolle spielen (IRS Veröffentlichungen [2]).

  

Aktueller Stand

 IEC_abb_04_betrieb

Anfang 2011 wurde ein IEC-Teststand im Labor des IRS ausgelegt und aufgebaut um das Verständnis und die Wissensbasis im Bereich Plasmaträgheitseinschluss und Plasmastrahlaustritt in einer Nicht-Fusions-Umgebung zu vertiefen und weiter auszubauen. Speziell soll im Rahmen dieses Projektes eine Machbarkeitsstudie für Raumfahrtantriebe erfolgen. Drei Testphasen sind hierfür geplant (IRS Veröffentlichungen [4]). Zum einen soll der Trägheitsschluss an sich untersucht werden, im Besonderen die Entladung und die Testbedingungen verbunden mit elektrostatischen Sonden und Mikrowellen-Interferrometrie-Messungen für die Elektronen- und Ioneneigenschaften. Die zweite Phase beinhaltet ein zweites Gitter, das den Strahlaustritt steuern soll. Hierfür werden abermals mit elektrostatischen Sonden und Mikrowelleninterferometrie Messungen durchgeführt, um dem Austrittmechanismus auf den Grund zu gehen. Am Schluss soll ein Triebwerksdesign entstehen, welches das Elektrodensystem vom Vakuumsystem trennt.

 

2-Gitter-Systeme wurden auf Zünd- und Entladungsbedingungen untersucht. Die charakteristischen Entladungsphänomene wurden aufgezeichnet (IRS Veröffentlichung [1, 3]). Der IRS Teststand enthält eine zylindrische Vakuumkammer, weshalb hier auf ein 2-Gittersystem aus Kathode und Anode angewendet wird.

 

2-Gitter-Systeme wurden auf Zünd- und Entladungsbedingungen untersucht. Die charakteristischen Entladungsphänomene wurden aufgezeichnet (IRS Veröffentlichung [1, 3]). Der IRS Teststand enthält eine zylindrische Vakuumkammer, weshalb hier auf ein 2-Gittersystem aus Kathode und Anode angewendet wird.

 

Abb:5;Abb:6;Abb:7

  

Untersuchungen zur Zusammensetzung des Plasmas mittels Emissionsspektroskopie sind z. Z. in der Vorbereitung, genauso wie die Mikrowelleninterferometrie und Experimente mit Langmuir Sonden.

 

Bild von kleinen Gitter-Setups

 

Projekte IEC

  • EADS Innovations Works: hoch präzises Gittersetup

  • ESA-ARIADNA Study: Die kinetische Modellierung einer Jet-Auskopplung wurde durchgeführt innerhalb einer ESA Ariadna Studie um das Verständnis der physikalischen Mechanismen hinter diesem Effekt besser zu verstehen. (IRS Publikationen [2])

  • ESA contract: Characterization of Electrostatic Probes and Assessment of a Standardization Procedure for Electric Propulsion

IRS Veröffentlichungen

 

[1]
 
 
 
[2]
Syring, C., Herdrich, G., Experimental Discharge Characterization and Scaling of IEC Plasma Devices, ProceedingsInternational Electric Propulsion Conference, Washington, USA, 2013, IEPC-2013-289
 
Herdrich, G., Pfeiffer, M., Syring, C., Petkow, D., Kinetic modeling of the jet extraction mechanism in spherical IEC devices, ProceedingsInternational Electric Propulsion Conference, Washington, USA, 2013, IEPC-2013-41
[3]
Syring, C., Herdrich, G., Discharge and Operational Conditions of an Inertial Electrostatic Confinement Device, Proceedings Joint Propulsion Conference, San Jose, USA, 2013, AIAA-2013-4025
[4]
Syring, C., Herdrich, G., Development Activities of an Inertial Electrostatic Confinement Device for Space Applications, Proceedings International Astronautical Congress, Naples, Italy, 2012, IAC-12-C4.7-C3.5.8
[5]
Petkow, D., Herdrich, G., Syring, C., Fasoulas, S., On the Kinetic Modeling of Fusion Processes in IEC Devices, Proceedings International Electric Propulsion Conference, Wiesbaden, Germany, 2011, IEPC-2011-311
[6]
Herdrich, G., Bauder, U., Boxberger, A., Gabrielli, R.A., Lau, M., Petkow, D., Pfeiffer, M., Syring, C., Fasoulas, S., Advanced plasma (propulsion) concepts at IRS, Vacuum, Vol. 88, 2013, p. 36-41

 

    

 

Historie

Der elektrostatische Trägheitsschluss (engl. inertial electrostatic confinement (IEC)), ursprünglich

von Farnsworth[1] erdacht, wurde erstmals experimentell von R. Hirsch [2] in den 70er Jahren studiert. Bis Anfang der 90er Jahre war die Forschung auf diesem Gebiet jedoch eher zurückhaltend. Erst mit R. W. Bussard [3] und G. H. Mil

ey [4] erhielt das IEC Konzept wieder vermehrt Aufmerksamkeit und das Wissen auf diesem Gebiet wurde mittels vieler experimenteller und numerischer Studien intensiv erweitert und vertieft. Die Untersuchung verschiedener IEC Designs wurde vorangetrieben, so dass heute mehrere IEC Aufbauten bekannt sind, wie z. B. die Single-Grid-Anordnungen [4], Multiple-Grid Designs [5] oder magnetisch-elektrostatische Hybridversionen [3]. Alle diese Konzepte wurden für den Betrieb mit Fusionsprozessen entwickelt. Für diese Art von Fusionsgeräten ist allerdings derzeit keine Produktion von Überschussenergien zu erwarten. Dennoch hat über Jahrzehnte gewonnenes Wissen die Fusionsraten in die genannten Varianten erhöht und ihre Performance optimiert, so dass sie für kommerzielle Anwendungen als Neutronenquellen von bspw. Daimler Chrysler Aerospace (IEC star-mode fusion neutron source, R&D) in Betracht gezogen wurden [6]. Des Weiteren sprechen Einfachheit des Designs und Skalierbarkeit für die Weiterentwicklung dieser Geräte. Heute treibt Gradel sarl (Project "NSD Gradel Fusion", ehemals die NSD Fusion GmbH) in Europa die Verbesserung von kommerziellen IEC Geräten voran, unter anderem für die Gepäckkontrolle oder Neutronenradiografie.

[1] Farnsworth, F., US Patent 3 258 402, 1966

[2] Hirsch, Robert L., Inertial-Electrostatic Confinement of Ionized Fusion Gases, Journal of Applied Physics, Vol. 38 Nr. 11, 1967, S. 4522–4534

[3] Bussard, R. W., Krall, N., Inherent Characteristics of Fusion Power Systems: Physics, Engineering and Economics, Fusion Technology, 26, 1994, S. 1–10

[4] Miley, G., Gu, Y., DeMora, J. M., Stubbers, R. A., Hochberg, T., Nadler, J., Anderl, R. A., Discharge Characteristics of the Spherical Inertial Confinement (IEC) Device, IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 25 Nr. 4, 1997, S.733–739

[5] Barnes, D. C, Nebel, R. A; Turner, L., Production and Application of Dense Penning Trap Plasmas, Physical Fluids B, Vol. 5, 1993, S. 3651–3660

[6] Miley, G., Sved, J., The IEC Star-Mode Fusion Neutron Source for NAA-Status and Next-Step Designs, Journal of Applied Radiation and Isotopes, Vol. 53, 2000, S. 779–783

 

 

 

 

Anwendung am IRS
 

  • Elektrische Raumfahrtantriebe:

    • Ionentriebwerk mit hohem Isp

    • Fusionsgestütztes Triebwerk

  • Referenzfall für PICLas Code (Modellierung und Simulation von hoch verdünnten Plasmaströmungen), die eine Kooperation der Uni Stuttgart-IRS, Uni Stuttgart-IAG und KIT-IHM ist.

  • Simulation von natürlichen Plasmen: IRS kooperiert mit dem Center for Astrophysics, Space Physics and Engineering Research an der Baylor University im Bereich der Entwicklung von Anlagen zur Simulation von komplexen (z. B. staubigen) Plasmen

 

 

 

Funktionsprinzip

Der ursprüngliche Reaktor, welcher von Farnsworth erfunden und von Hirsch verbessert wurde,

besteht aus einem sphärischen, konzentrischen und stark negativ geladenem Gitter innerhalb einer geerdeten, evaku

ierten sphärischen Kammer. Die Kammer wird mit einem Treibstoff geflutet. Ionen, die durch eine Glimmentladung zwischen Anode und Kathode generiert werden oder durch andere Ionenquellen entstehen, werden in das Gitterzent

rum durch das negative Potential am Gitter beschleunigt. Gelegentlich können Fusionsprozesse registriert werden, wenn die Ionenenergien ausreichen

d hoch sind. Die Mehrzahl an Ionen ist jedoch nicht an den Fusionsprozessen beteiligt und verlässt das Gitterzentrum wieder. Durch den Potentialgradienten zwischen Anode und Kathode werden sie langsamer und werden wieder in das Zentrum beschleunigt. Relevante Fusionsprozesse treten bei Beschleunigungsspannungen von 15 bis 20 kV auf. Unterhalb dieser Entladungsspannung können diese Geräte in einem nicht-Fusions Modus betrieben werden. Abhängig von der bevorzugten Anwendung sind bestimmte Betriebsmodi relevant, die durch ihre Entladungsphänomene unterschieden werden: Central Spot Mode, Star Mode und Jet Mode. Diese Entladungsphänomene können durch die Gittergeometrie beeinflusst werden, z. B. durch die Größe der Gitteröffnungen. Für eine Anwendung als Raumfahrtantrieb in einem Nicht-Fusions-Modus ist der Jet-Mode die relevante Betriebsbedingung. Aber um das Gesamtverständnis zu vertiefen ist es notwendig auch die anderen Entladungsphänomene zu verstehen. Der Star Mode kann unter bestimmten Betriebsbedingungen und einem symmetrischen Kathoden-Gitter erreicht werden. Charakteristisch für diesen Modus ist ein symmetrischer Fluss von Teilchen durch das Kathoden-Gitter in sogenannten "Microchannel". Allerdings können hierdurch schnelle Ionen aus dem Kathodeninneren nicht entkommen. Hierfür muss die Potentialoberfläche der Kathode mehr gestört werden, wie durch eine vergrößerte Gitteröffnung, welches dann den Jet Mode erzwingt. Entsprechend der gängigen Theorie, können Elektronen das System verlassen und ziehen dann Ionen mit sich. Aktuelle Forschungsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass auch andere Phänomene wie Quasineutralitätsverletzungen bei der Auskopplung eine Rolle spielen (IRS Veröffentlichungen [2]).

 

 

Aktueller Stand

Anfang 2011

wurde ein IEC-Teststand im Labor des IRS ausgelegt und aufgebaut um das Verständnis und die Wissensbasis i

m Bereich Plasmaträgheitseinschluss und Plasmastrahlaustritt in einer Nicht-Fusions-Umgebung zu vertiefen und weiter auszubauen. Spezie

ll soll im Rahmen dieses Projektes eine Machbarkeitsstudie für Raumfahrtantriebe erfolgen. Drei Testphasen sind hierfür geplant (IRS Veröffentlichungen [4]). Zum einen soll der Trägheitsschluss an sich untersucht werden, im Besonderen die Entladung und die Testbedingungen verbunden mit elektrostatischen Sonden und Mikrowellen-Interferrometrie-Messungen für die Elektronen- und Ioneneigenschaften. Die zweite Phase beinhaltet ein zweites Gitter, das den Strahlaustritt steuern soll. Hierfür werden abermals mit elektrostatischen Sonden und Mikrowelleninterferometrie Messungen durchgeführt, um dem Austrittmechanismus auf den Grund zu gehen. Am Schluss soll ein Triebwerksdesign entstehen, welches das Elektrodensystem vom Vakuumsystem trennt. 2-Gitter-Systeme wurden auf Zünd- und Entladungsbedingungen untersucht. Die charakteristischen Entladungsphänomene wurden aufgezeichnet (IRS Veröffentlichung [1, 3]). Der IRS Teststand enthält eine zylindrische Vakuumkammer, weshalb hier auf ein 2-Gittersystem aus Kathode und Anode angewendet wird. Untersuchungen zur Zusammensetzung des Plasmas mittels Emissionsspektroskopie sind z. Z. in der Vorbereitung, genauso wie die Mikrowelleninterferometrie und Experimente mit Langmuir Sonden.

 

Bild von kleinen Gitter-Setups 

 

Projekte IEC

 

Projekte IEC

 

  • EADS Innovations Works: hoch präzises Gittersetup

  • ESA-ARIADNA Study: Die kinetische Modellierung einer Jet-Auskopplu

    ng wurde durchgeführt innerhalb einer ESA Ariadna Studie um das Verständnis der physikalischen Mechanismen hinter diesem Effekt besser zu verstehen. (IRS Publikationen [2])

  • ESA contract: Characterization of Electrostatic Probes and Assessment of a Standardization Procedure for Electric Propulsion

 

 

 

 

 

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