Untersuchung von Flüssigmetall-Ionenquellen auf der Basis von magnetischen Suspensionen

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Tajmar
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 543815948

Flüssigmetallionenquellen finden sowohl in der Raumfahrt in Form von Ionenantrieben, als auch in terrestrischen Anwendungen wie Focused-Ion-Beam-Systemen zur Mikrostrukturierung von Oberflächen Verwendung. Die Erzeugung der Ionen basiert dabei auf der Feldevaporation, bei der verdampfende Atome eines flüssigen Metalls unter dem Einfluss eines hohen elektrischen Feldes ionisiert werden. Ausreichend hohe elektrische Feldstärken (10^7 V/m) werden durch eine geometrische Feldüberhöhung mithilfe sehr feiner, meist nadel- oder kapillarförmiger Elektrodenstrukturen erzielt, sodass mit einzelnen Nadeln Ionenströme im Mikroampere-Bereich zur Verfügung gestellt werden können. Die aus Wolfram bestehenden Nadelstrukturen stellen das Schlüsselelement von Flüssigmetallionenquellen dar, da ihre Herstellung komplex und kostenintensiv ist und sie durch verschiedene Effekte wie Ionensputtering oder Löslichkeit im Flüssigmetall während des Betriebes degradieren. Außerdem limitieren sie die Skalierbarkeit der erzielbaren Ionenströme, da ihre Clusterfähigkeit mithilfe der derzeitigen Fertigungsmethoden stark begrenzt ist. Vor allem in Raumfahrtantrieben sind jedoch hohe Schübe und somit hohe Emissionsströme wünschenswert. Das vorliegende Forschungsvorhaben verfolgt das Ziel, einen neuen Typ von Flüssigmetallionenquelle auf Basis von magnetisierten Flüssigmetallen zu entwickeln und zu untersuchen, die unter dem Einfluss eines externen Magnetfeldes spontan Nadelstrukturen ausbilden. Diese Flüssigmetallnadeln kämen ohne komplexe Unterstützungsstruktur aus, könnten über die Fähigkeit zur Selbstheilung verfügen und wären in hohem Maße skalierbar, sodass sie mit einer weitaus kompakteren Bauart zur Erzeugung hoher Emissionsströme für terrestrische und Raumfahrtanwendungen geeignet wären.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen