Logion

Erläuterung:

Raumfahrzeuge im Weltraum laden sich infolge ihrer Wechselwirkung mit den vorhandenen elektrisch geladenen Teilchen und Strahlungsfeldern elektrostatisch gegenüber dem Umgebungsplasma auf. Insbesondere der durch das kurzwellige Sonnenlicht an der Oberfläche des Raumfahrzeugs ausgelöste Photoeffekt bewirkt eine Emission von Photoelektronen und somit unter bestimmten Bedingungen eine elektrisch positive Aufladung des Raumfahrzeugs. Diese Aufladung beeinträchtigt einerseits die Durchführung wissenschaftlicher Experimente auf dem Raumfahrzeug (z. B. Verfälschung von Messungen niederenergetischer Ionen- und Elektronendichten im Weltraumplasma), andererseits können differentielle Aufladungen auf verschiedenen Teilen der Außenhaut zu elektrischen Überschlägen, Ausfällen von Geräten und Beeinträchtigung der Energieversorgung (Sonnenzellen) führen.

Forschungsziel:

Die positive statische Aufladung eines Raumfahrzeugs gegenüber dem Weltraumplasma kann durch Emission von Teilchen mit positiver elektrischer Ladung (Ionen) kompensiert werden. Zu diesem Zweck bringt man einen Ionenemitter am Raumfahrzeug an, der einen Strahl energetischer Ionen in den Weltraum emittiert, dessen Stärke etwa dem emittierten Photoelektronenstrom entspricht. Flüssigmetall-Feldionenemitter sind klein und leicht, weisen eine lange Lebensdauer auf und verbrauchen wenig Energie. Solche Emitter wurden zur Potentialregelung von Raumfahrzeugen (u. a. Instrument ASPOC auf den europäischen Forschungssatelliten CLUSTER, Instrument SPEX auf dem russischen Satelliten INTERBALL) ausgewählt.
Der Flug eines österreichischen Kosmonauten zur sowjetischen Weltraumstation MIR stellte die erste Gelegenheit überhaupt dar, einen Flüssigmetall-Emitter unter Bedingungen der Schwerelosigkeit zu testen und so noch vor dem ersten Einsatz für Potentialregelungszwecke eine Optimierung der Flughardware und -software durchzuführen.

Funktionsweise, Meßprinzip:

Ein Flüssigmetall-Ionenemitter (liquid metal ion source, "LMIS") besitzt eine Metallnadel mit einem Spitzenkrümmungsradius von wenigen Mikrometern, die aus einem Vorratsgefäß, das mit flüssigem Metall gefüllt ist, ragt. Im Betrieb wird das Metall durch eine elektrische Heizung geschmolzen - wegen der niedrigen Schmelztemperatur kommt Indium zum Einsatz - und benetzt die freie Oberfläche der Nadel. Wird an diese eine hohe positive elektrische Spannung gegenüber einer geerdeten "Extraktionselektrode" gelegt, werden infolge der lokal extrem hohen elektrischen Feldstärke durch Feldverdampfung positiv geladene Metallionen emittiert, die auf der Strecke zur Extraktionselektrode auf hohe Energien beschleunigt und zu einem Strahl geformt werden. Die durch die Emission des Strahls aus der Flüssigkeitsoberfläche verlorengegangenen Atome werden sofort durch Nachströmen aus dem Flüssigkeitsreservoir kompensiert, sodaß aus dem Emitter ein stabiler Ionenstrahl austritt.

Da keines der österreischischen Geräte der AUSTROMIR-Nutzlast für einen Einsatz außerhalb der Raumstation vorgesehen war, mußte für diese Apparatur die Umgebungsbedingung "freier Weltraum" innerhalb des Gerätes geschaffen werden. Das für den Betrieb notwendige Hochvakuum wurde von einer geräteeigenen Ionenpumpe aufrechterhalten, die sofort aktiviert wurde, als die Geräte am 23. August 1991 an Bord der Raumstation gebracht worden waren. In einem hermetisch abgeschlossenen Vakuumsystem war ein Modul mit 3 Flüssigmetall-Ionenemittern eingebaut. Die Emitter wurden einzeln in Betrieb genommen und der emittierte Ionenstrahl am internen Kollektor aufgefangen. Mit Hilfe des Zentralrechners DATAMIR steuerte der Kosmonaut das Experiment, wobei alle relevanten Betriebsdaten registriert, auf Magnetkarten und auf Disketten gespeichert und nach dem Flug zur Erde gebracht wurden.

Die Betriebsdaten des unter Schwerelosigkeit betriebenen Emittermoduls wurden mit denen eines gleichartigen, am Boden betriebenen Moduls verglichen. Ebenso wurden die Emitter demontiert und zur Erde zurückgebracht, wo durch elektronenmikroskopische und mikroanalytische Methoden die Benetzung der Emitterspitzen und die Verteilung des flüssigen Metalls im Vorratsgefäß studiert werden konnten.

Mitverwendete Apparatur aus der österreichischen Nutzlast für Steuerung und Datenaufzeichnung:

DATAMIR

Ergebnisse:

Das Experiment hat zum ersten Mal gezeigt, daß ein Flüssigmetall-Feldionenemitter mit einem Langzeitvorratsbehälter für eine längere Betriebsdauer auch unter den Bedingungen der Mikrogravitation geeignet ist. Die Betriebsparameter der Emitter sind den am Boden gemessenen sehr ähnlich. Die Stabilität des vom Modul emittierten Indium-Ionenstroms läßt diesen Emittertyp auch für den weiteren Einsatz zur Potentialkontrolle von Raumfahrzeugen geeignet erscheinen.
Das zurückgebrachte Emittermodul wurde mit Hilfe der Sekundärionen-Massenspektrometrie untersucht. Dabei hat sich gezeigt, daß das in einem Multi-Emittermodul von den Elektroden auf die kalten Spitzen rückgesputterte Metall die Stabilität der Betriebsparameter limitiert. Bei Einzelemittermodulen, wie sie im Experiment MIGMAS-A eingesetzt wurden, sind diese Kontaminationseffekte aufgrund der Selbstreinigung eines laufenden Emitters wesentlich geringer.

Angaben zum Gerät:

Apparatur LOGION - Elektronikbox mit Kabel:

Retournutzlast (Emittermodul)

Projektverantwortliche Institution und Hersteller:

• Österreichisches Forschungszentrum Seibersdorf

• Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, Graz