G. Böhm, T. Arnold, H. Paetzelt
Gebrauchsmuster DE 202017103165 U1 (2017), DPMA
Gebrauchsmusterschrift

Die Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma- oder Radikalstrahles durch Anregung eines Gasstromes geeigneter Zusammensetzung mittels gepulster Hochfrequenzenergie. Eine Anwendungsmöglichkeit dieser Quelle besteht in der Oberflächenfeinkorrektur mit Plasmen bei Atmosphärendruck.

A. Lehmann, F. Pietag, Th. Arnold
Clin. Plasma Med. 7-8 (2017) 16-23
DOI: 10.1016/j.cpme.2017.06.001

Das Ziel dieser Studie war die Charakterisierung eines mikrowellenbetriebenen atmosphärischen Plasmajets (APJ), der für medizinische Anwendungen bestimmt ist. Der wissenschaftliche Fokus umfasst die unschädliche Sterilisation von Oberflächen und therapeutische Behandlungen in der Zahnmedizin. Das Plasma wurde hinsichtlich möglicher gesundheitlicher Risiken für den Menschen untersucht, die insbesondere durch die Gastemperatur, den Wärmestrom, den Patientenableitstrom, die UV-Emission und die Ozonemission aus dem Plasmastrahl auftreten können. Die Ergebnisse der Experimente weisen auf ein hohes Potenzial des Plasmastrahls für den Einsatz als medizinisches Gerät hin, das niedrige Gastemperaturen bis zu 34 °C aufweist. Der untersuchte APJ weist physikalische Eigenschaften auf, die für den Menschen, z. B. bei der Behandlung in der Zahnmedizin, keine gesundheitlichen Risiken darstellen dürften.

M. Ehrhardt, P. Lorenz, B. Han, K. Zimmer
Appl. Phys. A 126 (2020) 842
DOI: 10.1007/s00339-020-04019-x

Die ultra-präzise Oberflächenbearbeitung mit kontaktlosen strahlenbasierten Verfahren ermöglicht flexible und zuverlässige, auf Nichtvakuum-Prozessen basierende Herstellungsmethoden für zukünftige industrielle Anwendungen in der Hochtechnologie. Die Laserbearbeitung mittels Laserablation eignet sich im Bereich der Tiefengenauigkeit, der Oberflächenmorphologie und laserinduzierten Defektbildung nur eingeschränkt zur ultra-präzisen Bearbeitung. Im Gegensatz zum physikalischen Ätzen, bieten chemisch-basierte Trocken- und Nassätzprozesse jedoch einen schädigungsarmen Materialabtrag hoher Qualität. Um die Vorteile beider Prinzipien zu verbinden, wurde ein kombinierter Laser-Plasma-Prozess eingeführt. Dabei werden ultrakurze Laserpulse genutzt, um mittels eines optischen Durchbruches ein freistehendes Mikroplasma in einer CF₄-Atmosphäre zu erzeugen. Das CF₄-Gas von 800–900 mbar Druck wird nur nahe des Fokuspunktes ionisiert, wobei reaktive Spezies gebildet werden. Die reaktiven Spezies des laserinduzierten Mikroplasmas können mit den Oberflächenatomen wechselwirken und dabei flüchtige Verbindungen bilden. Die Freisetzung dieser Produkte wird durch das gepulste, laserinduzierte Plasma begünstigt, sodass es zum Materialabtrag kommt. In dieser Studie wurden SiO₂-Oberflächen mit den reaktiven Spezies eines CF₄-Mikroplasmas geätzt, das durch den laserinduzierten Durchbruch mit 775 nm Pulsen eines fs-Lasers (150 fs) bei 1 kHz Wiederholrate erzeugt wurde. Die Abhängigkeit von Tiefe, Breite und Morphologie der Ätzgruben von den Prozessparametern wurde systematisch untersucht – dabei konnte eine lineare Zunahme der Ätztiefe bis 10 µm demonstriert werden. Die geätzte Oberfläche erscheint glatt, ohne sichtbare Risse, Defekte oder laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturen (LIPSS).

F. Scholze, D. Spemann, D. Feili
Proc. 36^th Int. Electric Propulsion Conference (IEPC), IEPC-2019-475 (2019)

Die meisten elektrischen Antriebskonzepte für die Raumfahrt benötigen eine Elektronenquelle zur Neutralisierung der positiven Raumladung, die vom emittierten Ionenstrahl erzeugt wird. Als Alternative, z.B. zu Hohlkathoden, wurde am Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V. ein Radiofrequenz-Plasmabrückenneutralisator (RFPBN) mit einer induktiven Plasmaanregung entwickelt und getestet. Der RFPBN besteht aus einer zylindrischen Entladungskammer und einem integrierten Anpassnetzwerk für eine Frequenz von 13,56 MHz und ist ausgelegt für Anwendungen, bei denen ein Elektronenstrom von 2 mA bis 100 mA benötigt wird. Die Leistungsfähigkeit des Neutralisators, insbesondere die Relation zwischen extrahiertem Elektronenstrom zur dazu notwendigen DC- und RF-Leistung, zeigt, dass dieses Neutralisatorkonzept eine mögliche Alternative zu konventionellen Elektronenquellen für die Strahlneutralisation darstellt. Durch Vibrations- und Schocktests konnte außerdem die für eine Raumfahrtmission erforderliche mechanische Belastbarkeit des RFPBN erfolgreich nachgewiesen werden. Darüber hinaus hat der RFPBN einen 900 Stunden Langzeittest sowie einen 100 Stunden Neutralisationstest mit einem Gitterionentriebwerk RIT10 EVO von ArianeGroup erfolgreich bestanden.

F. Scholze, F. Pietag, H. Adirim, M. Kreil, M. Kron, R. Woyciechowski, C. Bundesmann, D. Spemann
Development and test of a cost-efficient gridded ion thruster propulsion system for small satellites – IonJet
J. Electric Propulsion 1 (2022) 28
DOI: 10.1007/s44205-022-00028-5

Im Rahmen eines vom DLR geförderten Verbundvorhabens IonJet des IOM und der Aerospace Innovation GmbH wurde ein Engineering Model eines kostengünstigen elektrischen Antriebssystems für Kleinsatelliten entwickelt. Während das Gasversorgungssystem auf dem MICROJET 2000-System des 2016 in den Weltraum gestarteten BIROS-Satelliten basiert, basiert das Triebwerkssystem auf einem neuartigen, zum Patent angemeldeten, Gitterionentriebwerk, bei dem der Neutralisator im Ionentriebwerk integriert ist. Dies ermöglicht eine gleichzeitige Ionen- und Elektronenextraktion und reduziert die Anzahl der Komponenten und damit die Kosten und Systemkomplexität. Das gesamte System wurde erfolgreich unter Vakuumbedingungen hinsichtlich Zündung und stabilem Betrieb des Antriebssystems getestet. In den Leistungstests konnten mit Xenon Schubkräfte von 1 mN bei einer Gesamtleistungsaufnahme von weniger als 50 W sowie spezifische Impulse größer als 1000 s, den Gasverbrauch des Neutralisators eingeschlossen, erreicht werden. Darüber hinaus wurden erste Tests mit Krypton durchgeführt, die zeigten, dass bei gleicher Gesamtleistung der erreichbare Schub auf 55% bis 68% des Schubes für Xenon abnimmt.