- Titel
- Development of an Iodine Compatible Neutralizer
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1060897
- Erstveröffentlichung
- 2026
- Datum der Einreichung
- 13.06.2025
- Datum der Verteidigung
- 14.01.2026
- Abstract (DE)
- Für elektrische Raumfahrtantriebe werden neue Treibstoffe untersucht, um die konventionell verwendeten Edelgase zu ersetzen. Iod ist ein vielversprechender Kandidat aufgrund seiner niedrigen Kosten, hohen Speicherdichte und der performanten Triebwerksleistung. Allerdings verhindern die korrosiven Eigenschaften von Iod die Verwendung als Treibstoff in plasma-überbrückten Elektronenquellen, die als Neutralisatoren benötigt werden. Dies begrenzt die Anwendung von Iod als alleinigen Treibstoff auf Systeme mit niedrigen Strahlströmen, bei denen Feldemitter, thermionische oder Hochfrequenz-Neutralisatoren verwendet werden können. In dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze experimentell untersucht, um einen Neutralisator für Iod-Triebwerke mit Strahlströmen über 100 mA zu entwickeln, bei denen für Edelgassysteme typischerweise Hohlkathoden eingesetzt werden. Als vielversprechendstes iodkompatibles Emittermaterial wurden grundlegende Herausforderungen von Calciumaluminat-Elektrid behandelt. Durch experimentelle Messungen der thermionischen Emissionseigenschaften konnten die Emissionsströme durch geeignete Kontaktierung und Dotierung signifikant erhöht werden, wodurch Stromdichten nahe unterhalb von BCA 411 erreicht wurden. Als treibstoffloser Ansatz wurden verschiedene thermionische Neutralisator-Konzepte untersucht, jedoch verhindern der hohe Leistungsbedarf und die schlechte Kopplung mit dem Triebwerk ihre Verwendung im angestrebten Strombereich. Inspiriert vom Wolfram-Halogen-Prozess wurde eine mit Iod gespeiste Filamentkathode getestet, die jedoch nur 0.25 Stunden betrieben werden konnte. Eine Hohlkathodenstruktur aus iodkompatiblen Materialien wurde entwickelt und mit Lanthanhexaborid, Lanthanoxid-dotiertem Wolfram und Yttriumoxid-Emittern getestet. Während Yttriumoxid vielversprechende Leistung mit Krypton zeigte, konnte nur der dotierte Wolfram-Emitter mit Iod betrieben werden, jedoch erreichte dieser nur eine Lebensdauer von 2.4 Stunden. Daher bleibt derzeit eine mit Edelgas gespeiste Hohlkathode die einzige praktikable Lösung im höheren Strahlstrombereich. Der Einfluss der relativen Position zum Triebwerk wurde untersucht und das Langzeitverhalten in einem 3100 Stunden Dauertest mit einem Iod-Triebwerk demonstriert.
- Abstract (EN)
- For electric in-space propulsion, new propellants are being investigated to replace the conventionally used noble gases. Iodine is a promising candidate due to its low cost, high storage density and state-of-the-art thruster performance. However, the corrosive nature of iodine prevents the use as propellant in plasma-bridged electron-sources required as neutralizers. This limits the application of iodine as sole propellant to low beam current systems, where field emitter, thermionic or radio-frequency neutralizers can be used. In this work, different approaches have been experimentally investigated to develop a neutralizer for iodine thrusters with beam currents beyond 100mA, where for noble gas systems typically hollow cathodes are employed. As promising iodine compatible emitter material, fundamental challenges of calcium aluminate electride have been addressed. By experimentally measuring the thermionic emission properties, the emission currents could be significantly increased by proper contacting and doping, approaching the performance of BCA 411. As propellantless approach, different thermionic neutralizer concepts were investigated, however the high power demand and inferior thruster coupling prohibit their use in the targeted current range. Inspired by the tungsten-halogen cycle, an iodine fed filament cathode was tested but only operated for 0.25 h. A hollow cathode body using iodine compatible materials was developed and tested with lanthanum hexaboride, lanthanum oxide doped tungsten and yttrium oxide emitters. Whereas yttrium oxide showed promising performance with krypton, only the doped tungsten emitter could be operated with iodine, however reaching only 2.4 h lifetime. Therefore, currently a noble gas fed cathode remains the only viable solution in the higher beam current range. The impact of the relative position was investigated and the performance demonstrated in a 3100 h endurance test with an iodine thruster.
- Verweis
- Improvement of the thermionic emission properties of C12A7 electride
DOI: 10.1016/j.vacuum.2024.113435 - Hollow cathode testing of Y2O3, La2O3-doped tungsten and LaB6 emitters with krypton and iodine
DOI: 10.1016/j.vacuum.2023.112812 - Freie Schlagwörter (DE)
- Elektrische Raumfahrtantriebe, Neutralisator, Kathode, Iod
- Freie Schlagwörter (EN)
- electric propulsion, neutralizer, cathode, iodine
- Klassifikation (DDC)
- 620
- Klassifikation (RVK)
- ZO 8150
- GutachterIn
- Prof. Dr. Martin Tajmar
- Prof. Dr. Hans Leiter
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Technische Universität Dresden, Dresden
- Förder- / Projektangaben
- Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt ID: 50RK1808
- European Union Horizon2020
iodine Fed Advanced Cusp field Thruster
(iFACT) - Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1060897
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 12.08.2026
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Englisch
- Lizenz / Rechtehinweis
- Inhaltsverzeichnis
1. Introduction 2. Background 2.1. Electric Propulsion 2.1.1. Iodine as Propellant 2.1.2. Advanced Cusp Field Thruster 2.2. Electron Emission 2.3. Neutralizers 2.3.1. Thermionic Cathodes 2.3.2. Field Emitters 2.3.3. Hollow Cathodes 2.3.4. Radio Frequency Cathodes 2.4. Previous Work on Iodine-Fed Hollow Cathodes 2.5. Emitter Materials 2.5.1. Lanthanum Hexaboride 2.5.2. Barium-Calcium-Aluminate 2.5.3. Calcium Aluminate Electride 3. C12A7 Emitter Development 3.1. Introduction 3.2. Materials and Methods 3.2.1. Thermionic emission test setup 3.2.2. Validation of the test setup 3.2.3. C12A7 samples 3.3. Results and Discussion 3.3.1. General Findings 3.3.2. Surface Treatments 3.3.3. Contacting 3.3.4. Doping 3.4. Conclusion 4. Thermionic Cathode Development 4.1. Iodine Compatibility Tests 4.2. Coated Arcs 4.3. Conductively Heated Emitter 4.4. Radiatively Heated Emitter 4.5. Conclusion 5. Filament Cathode Development 5.1. Filament Model 5.2. Filament and Cathode Design 5.3. Filament Cathode Testing 5.3.1. Xenon Testing 5.3.2. Iodine Testing 5.4. Conclusion 6. Iodine Hollow Cathode Development 6.1. Approach 6.1.1. Emitter Candidates 6.1.2. Cathode Design 6.2. Material and Methods 6.3. Results and Discussion 6.3.1. Thermionic Testing 6.3.2. Krypton Testing 6.3.3. Krypton Endurance Testing with Y2O3 6.3.4. Iodine Testing 6.3.5. Iodine Testing with La2O3-doped Tungsten 6.4. Conclusion 7. Thruster Coupling 7.1. Test Articles 7.2. Test Setup 7.3. Results 7.4. Conclusion 8. Krypton Hollow Cathode Development 8.1. Hollow Cathode Design 8.2. Hollow Cathode Control and Setup 8.2.1. State Machine 8.2.2. FDIR Handling 8.2.3. Test Setup 8.3. Endurance Test Results 8.3.1. Neutralizer Performance 8.3.2. Neutralizer Sub-Hz Oscillations 8.4. Conclusion 9. Conclusion Bibliography A. Appendix