Bodentestanlage für verdünnte atomare Sauerstoffströmungen

• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik, Technische Thermodynamik und Thermische Energietechnik ; Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung in 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563081791

Dieser Antrag bezieht sich auf eine Bodentestanlage, in der Gas-Oberflächen-Wechselwirkungen von raumfahrtrelevanten Materialien unter den Bedingungen des sehr niedrigen Erdorbits (Very Low Earth Orbit - VLEO) untersucht werden können. In der Anlage soll ein Plasmagenerator eine nahezu vollständig dissoziierte, schnelle, sogenannte hyperthermale Strömung aus atomarem Sauerstoff erzeugen. Über einen Skimmer mit kleiner Öffnung wird ein Teil mit hoher Geschwindigkeit in eine Hochvakuumkammer mit großer mittlerer freier Weglänge extrahiert, um dort die Wechselwirkung mit Materialproben zu untersuchen. Ein Massenspektrometer bestimmt dafür die Teilchendichte von reflektiertem Sauerstoff als Funktion des ein- und ausfallenden Winkels. Zusätzlich werden Materialproben über einen längeren Zeitraum dem hochenergetischen atomaren Sauerstoff ausgesetzt, um Massenverlust und Veränderungen der Oberfläche zu untersuchen. Ein modularer Aufbau der Anlage mit austauschbarem Plasmagenerator und Skimmer ermöglicht die Anpassung der Versuchsparameter in einem weiten Bereich. Der Antrag ist eng mit dem SFB "Advancing Technologies of Very Low Altitude Satellites - ATLAS" verbunden, der zum 01.04.2024 an der Universität Stuttgart eingerichtet wurde, um die wissenschaftlichen Grundlagen für die Erschließung des VLEO-Bereichs zu erforschen. Essenziell ist dafür ein besseres Verständnis der auftretenden Gas-Wand-Wechselwirkungen, die beispielsweise den aerodynamischen Widerstand und damit die Lebensdauer von Satelliten sowie die Effizienz von Steuerflächen oder von neuartigen luftatmenden elektrischen Triebwerken bestimmen. Die VLEO-Atmosphäre besteht überwiegend aus atomarem Sauerstoff, dessen chemische Wechselwirkung mit Oberflächen auch zu signifikanter Materialerosion führen kann. Vorteile des VLEO-Bereichs mit geringeren Flughöhen von unter 450 km sind beispielsweise verbesserte Möglichkeiten für die Erdbeobachtung oder die Telekommunikation. Die dort vorhandene Restatmosphäre bremst passive Satelliten im Vergleich zu traditionellen Orbits zusätzlich stärker ab, so dass sie nach Betriebsende schnell an Höhe verlieren, in die dichtere Atmosphäre eintreten und verglühen. Das ermöglicht eine rasche und rein passive Entsorgung von Satelliten und vermeidet langlebigen Weltraumschrott. Über den SFB ATLAS hinaus ist die Anlage für die Weiterentwicklung und die verbesserte Kalibrierung von Sensoren für atomaren Sauerstoff von Bedeutung. Diese werden als sogenannte FIPEX-Sensoren seit mehreren Jahren erfolgreich mit verschiedenen weltweiten Partnern in der Atmosphärenforschung auf Forschungsraketen und Satelliten zur Messung der atomaren Sauerstoffverteilung in großen Höhen eingesetzt. Nach erfolgreicher Inbetriebnahme und umfangreicher Charakterisierung der VLEO-Anlage ist auch zu erwarten, dass sie langfristig eine bedeutende Rolle bei der Untersuchung relevanter Flugmesstechnik und der Entwicklung von Subsystemen niedrigfliegender Satelliten haben wird.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Bodentestanlage für verdünnte atomare Sauerstoffströmungen
• Antragstellende Institution: Universität Stuttgart
• Leiter: Professor Dr.-Ing. Stefanos Fasoulas