Analyse des laser-ablativen Mikroantriebs

Kurzfassung

Die Leitidee des MICROLAS-Konzeptes für einen laser-ablativen Mikroantrieb besteht darin, im Sinne minimalen Schubrauschens bewegliche Komponenten zu vermeiden, so dass Treibstrahl, Photonen und Elektronen das Einzige sind, was sich bei dieser Art des Antriebs bewegt: Ein gepulster Festkörperlaser wird dazu verwendet, kleine Treibstoffmengen von einem metallischen Target abzutragen und zu beschleunigen. Auf diese Weise werden äußerst kleine Impulsbits erzeugt. Dafür wird der Laserstrahl mittels eines Objektivs fokussiert und über einen Umlenkspiegel auf das Treibstofftarget gerichtet. Da die Wiederholrate der Laserpulse über mehrere Größenordnungen, bis ca. 100 kHz, variiert werden kann, ist es möglich, einen großen Schubbereich abzudecken, indem die passende Repetitionsrate gewählt wird. Dabei bleibt das einzelne Impulsbit unverändert, es wird zuvor bei der Optimierung des Arbeitspunktes durch die Laserparameter, die sich für den jeweiligen Treibstoff am besten eignen, für die gesamte Betriebsdauer festgelegt. Durch die Verwendung relativ geringer Impulsbits im Bereich von 1 – 10 nNs kann im repetierenden Betrieb die erforderliche Schubpräzision von 0,1 μN erreicht werden. Dabei erlaubt die Möglichkeit, die Repetitionsrate des Lasersystems nahezu instantan zu verändern, eine schnelle Ansprechzeit auf gewünschte Änderungen des momentanen Schublevels. Die Parameterstudie für den Einsatz von Aluminium und Gold beim Einsatz im MICROLAS-Konzept hat maximale Impulskoppelkoeffizienten im Bereich von 25 μN/W bis 40 μN/W, ergeben. Unter der Annahme einer (realistischen) Energieeffizienz von 20% für Festkörperlaser ergibt dies eine maximale Schubleistung von 12 bis 16 μN bei 2 W elektrischer Anschlussleistung. Bei einer stärkeren Stromversorgung ist der Schub prinzipiell nach oben hin skalierbar. Erste Analysen zum Schubrauschen vermitteln einen vielversprechenden Eindruck vom MICROLAS-Konzept da bereits unter sub-optimalen Bedingungen ein Rauschlevel gemessen wurde, das nur noch eine Größenordnung über den Spezifikationen lag, obwohl es sich bei diesen Experimenten lediglich um einen Nachweis des laser-induzierten Schubs handelte, ohne jede Optimierung von Laser, Treibstoff oder Scanparametern. Für laser-ablative Schuberzeugung mit Pulsen im Nanosekunden-Bereich ergeben die Parameterstudien, dass ein hoher spezifischer Impuls oberhalb von 2000 s möglich ist. Orientierende Messungen zur Divergenz des Treibstrahls haben ergeben, dass der 50%-Wert der Winkelverteilung bereits innerhalb der geforderten Spezifikationen liegt, der 90%-Wert jedoch noch doppelt so groß ist. Generell müssen die Spezifikationen für Schub und spezifischen Impuls in Abhängigkeit von den Laserparametern noch im Hinblick auf den repetierenden flächenhaften Abtrag untersucht werden, da hier Abweichungen von den Ergebnissen der Einzelpulsexperimente und der numerischen Parameterstudie zu erwarten sind. Insgesamt gesehen besitzt der MICROLAS-Antrieb unter Berücksichtigung der Parameter von Laser und Ablationsschema sowie im Hinblick auf Regelungstechnologie ein vielversprechendes Optimierungspotential, mit dem sich die Anforderung nach minimalem Schubrauschen erfüllen lässt.