Giessener Elektronische Bibliothek

GEB - Giessener Elektronische Bibliothek

Konzeption eines miniaturisierten Ionenantriebs f√ľr Raumfahrtanwendungen auf Basis ionenleitender Oxide

Reppin, Daniel


Zum Volltext im pdf-Format: Dokument 1.pdf (8.962 KB)


Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-117877
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2015/11787/

Bookmark bei del.icio.us


Universität Justus-Liebig-Universit√§t Gie√üen
Institut: 1. Physikalisches Institut
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der m√ľndlichen Pr√ľfung: 12.11.2015
Erstellungsjahr: 2015
Publikationsdatum: 18.11.2015
Kurzfassung auf Deutsch: Diese Arbeit befasst sich mit der Konzeption und Entwicklung eines neuen miniaturisierten Ionentriebwerks auf der Basis ionenleitender Oxide. Dazu wurde ein Probendesign auf D√ľnnschichtbasis erstellt und ein Messaufbau realisiert. Das Probendesign mit einer lateralen Gr√∂√üe von 1,2x1,6 cm¬≤ besteht dabei aus einem mikrostrukturierten Heizer und einer darauf deponierten ionenleitenden D√ľnnschicht. Als Ionenleiter kamen die Sauerstoffionenleiter Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und Gadolinium-dotiertes Ceroxid (GDC) in Frage. Die elektrische Charakterisierung der Sauerstoffionenleiter ergab, dass die GDC D√ľnnschichten die h√∂here Ionenleitf√§higkeit (2,1E-3 S/cm im GDC gegen 9,1E-5 S/cm im YSZ) aufwiesen, und so wurden diese f√ľr die Extraktionsexperimente ausgew√§hlt. Die Homogenit√§t des Heizers wurde mittels IR-Thermographie untersucht, hier zeigte das gew√§hlte Design aus zehn parallelen 200 Mikrometer breiten und 100 bis 350 nm dicken Stegen eine gute W√§rmeverteilung. Mittels Massenspektrometrie wurde das Verhalten der Proben beim Aufheizen untersucht. Die Analyse ergab, dass sich das Restgas im Rezipienten durch das Heizen der Probe √§ndert. Da sich nicht nur die Probe sondern auch der Messaufbau erw√§rmt, gibt auch dieser adsorbierte Gasmolek√ľle in das Restgas ab. Die Beitr√§ge von Probe und Messaufbau konnten durch zeit- und temperaturabh√§ngige Messungen getrennt werden. In Heizzyklen lie√ü sich nachweisen, dass das Sauerstoffsignal (O2) direkt der Heizertemperatur folgt und hier Sauerstoff aus der ionenleitenden Schicht ausgebaut wird. Ein weiteres Indiz daf√ľr war eine blaue bis schwarze Einf√§rbung der GDC Schichten, diese sind ansonsten vollst√§ndig farblos und transparent. F√ľr die Reduktion des GDC wurde dabei eine Temperatur von ca. 740 K ben√∂tigt, um den Einfluss des Messaufbaus klein zu halten, wurde diese Temperatur nicht l√§nger als f√ľnf Minuten gehalten. Beim Anlegen einer positiven Spannung von 200 V an ein Kupferblech, das sich ca. 3 mm √ľber der ionenleitenden Schicht befand, konnte bei einer Temperatur von 873 K ein Strom von 14 nA gemessen werden, der innerhalb von zwei Minuten auf 2 nA abfiel. Der gemessene Strom entsprach negativen Ladungstr√§gern (O- oder Elektronen) und zeigte eine Spannungs- und Temperaturabh√§ngigkeit. Aus den temperaturabh√§ngigen Messungen lie√ü sich mit der Richardson-Dushman Gleichung eine Aktivierungsenergie von 1,87 eV f√ľr die Extraktion bestimmen. Die gesammelten Indizien legen nahe, dass es sich bei dem gemessenen Strom um Sauerstoffionen handelt, ein Beitrag durch Elektronen konnte mit den vorhandenen Messmethoden aber nicht vollkommen ausgeschlossen werden. F√ľr weitere Messungen m√ľssen das Konzept und der Messaufbau √ľberarbeitet werden, da diese an ihre technischen Grenzen sto√üen. Heizer und ionenleitende Schicht m√ľssen elektrisch getrennt werden um St√∂reinfl√ľsse bei der Strommessung zu minimieren. Der Messaufbau sollte eine Einhausung der Probe vermeiden, damit die Messungen nicht durch die Emission von adsorbierten Gasen des Messaufbaus gest√∂rt werden. Weiterhin kann durch die Einstrukturierung von Spitzen auf der Oberfl√§che des Ionenleiters lokal das elektrische Feld erh√∂ht werden, wodurch die ben√∂tigten Spannungen weiter reduziert werden k√∂nnten.
Lizenz: Veröffentlichungsvertrag für Publikationen ohne Print on Demand