Untersuchung des Strahlungsdrucks auf dünne Folien unter Weltraumbedingungen

Investigation of radiation pressure on thin foils under space conditions

  • Trifft elektromagnetische Strahlung auf einen Körper, geben die Photonen ihren Impuls ab, bei einer idealen Reflexion sogar den doppelten Impuls. Auf die Oberfläche des bestrahlten Körpers wird somit eine Kraft ausgeübt. Dieser Strahlungsdruck ist extrem gering, jedoch ergeben sich unter speziellen Bedingungen, wie bei einer Anwendung im luftleeren Raum des Weltalls, konkrete effektive Einsatzbereiche. Die Anwendung des Strahlungsdrucks als Antriebsmittel im Bereich der Raumfahrt ist der Ausgangspunkt folgender Dissertation. Großflächige reflektierende Folien können den Strahlungsdruck der Sonne als spezielles Antriebsmittel für Raumfahrzeuge, sogenannte Sonnensegler, nutzen. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Messeinrichtung zur Analyse der Kraftwirkung durch sonnenähnliche Strahlung auf dünne, reflektierende Folien. Des Weiteren wird die Messeinrichtung durch verschiedene Messreihen verifiziert, auftretende Effekte werden charakterisiert. Die Messeinrichtung ist in einer Hochvakuumkammer installiert. Der StrahlungsdruckTrifft elektromagnetische Strahlung auf einen Körper, geben die Photonen ihren Impuls ab, bei einer idealen Reflexion sogar den doppelten Impuls. Auf die Oberfläche des bestrahlten Körpers wird somit eine Kraft ausgeübt. Dieser Strahlungsdruck ist extrem gering, jedoch ergeben sich unter speziellen Bedingungen, wie bei einer Anwendung im luftleeren Raum des Weltalls, konkrete effektive Einsatzbereiche. Die Anwendung des Strahlungsdrucks als Antriebsmittel im Bereich der Raumfahrt ist der Ausgangspunkt folgender Dissertation. Großflächige reflektierende Folien können den Strahlungsdruck der Sonne als spezielles Antriebsmittel für Raumfahrzeuge, sogenannte Sonnensegler, nutzen. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Messeinrichtung zur Analyse der Kraftwirkung durch sonnenähnliche Strahlung auf dünne, reflektierende Folien. Des Weiteren wird die Messeinrichtung durch verschiedene Messreihen verifiziert, auftretende Effekte werden charakterisiert. Die Messeinrichtung ist in einer Hochvakuumkammer installiert. Der Strahlungsdruck wird durch eine 1600W Xenon Lampe mit sonnenähnlichem Spektrum auf eine 7,5 µm dicke, mit Aluminium beschichtete Kaptonfolie ausgeübt. Die resultierende Krafteinwirkung auf die Folienoberfläche wird mittels einer Präzisionswaage gemessen. In mehreren Testreihen werden Folienproben unterschiedlichen Bestrahlungsstärken ausgesetzt. Die experimentell ermittelten Messdaten bestätigen die theoretisch berechneten Werte des Strahlungsdrucks. Darüber hinaus zeigt sich im Verlauf der Experimente ein bisher unbeachteter Effekt. An der Folienoberfläche haften unter Atmosphäre Wassermolekülschichten, welche im Vakuum zunächst an der Folie haften bleiben. Diese Moleküle werden erst bei Bestrahlung von der Oberfläche desorbiert. Der Impuls durch die entweichenden Moleküle ist um ein Vielfaches größer als der Impuls der Photonen. Dieser Effekt beeinträchtigt die Strahlungsdruckmessung. Um die störenden Einflüsse zu eliminieren, sind in einer Testprozedur Randbedingungen definiert worden.show moreshow less
  • Photons of electromagnetic radiation transfer their momentum on bodies; an ideally reflecting surface doubles the value of the momentum. Thus, a force is acting on the radiated surface of that body. The value of this radiation pressure is rather small, but under special condition, like use in exhausted outer space, there is real effective range of application. The initial point of this thesis is the application of radiation pressure as space propulsion. Large areas of reflective thin films can use the solar radiation pressure for a special type of propulsion in spacecraft applications like the so-called solar sails. The object of this thesis is to develop a measuring facility for analysis the acting force on thin reflective foils by solar like radiation. Furthermore, the facility will be verified by series of measurements, occurring effects will be characterized. This measuring system will be built up and operate in a vacuum chamber. A 1600W Xenon lamp with an AM0 spectrum will illuminate a 7.5 µm thick kapton foil coated withPhotons of electromagnetic radiation transfer their momentum on bodies; an ideally reflecting surface doubles the value of the momentum. Thus, a force is acting on the radiated surface of that body. The value of this radiation pressure is rather small, but under special condition, like use in exhausted outer space, there is real effective range of application. The initial point of this thesis is the application of radiation pressure as space propulsion. Large areas of reflective thin films can use the solar radiation pressure for a special type of propulsion in spacecraft applications like the so-called solar sails. The object of this thesis is to develop a measuring facility for analysis the acting force on thin reflective foils by solar like radiation. Furthermore, the facility will be verified by series of measurements, occurring effects will be characterized. This measuring system will be built up and operate in a vacuum chamber. A 1600W Xenon lamp with an AM0 spectrum will illuminate a 7.5 µm thick kapton foil coated with aluminum. A high precision balance measures the acting force on foil surface. In different measurement sequences foil samples are irradiated at different energy fluxes. The measured values correspond to the theoretical value of radiation pressure. Also, in the experiment appears a so far disregarded effect. Under atmosphere and still in vacuum water molecules adhere to the foil surface. These molecules desorb due to first strike of the radiation. The momentum by desorbing molecules is much higher than the momentum of photons. This influence affects radiation pressure measurement. Therefore, relevant boundary conditions are defined in a test procedure to eliminate disturbing influences.show moreshow less

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Metadaten
Author: Nauka Melnik
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-45847
Referee / Advisor:Prof. Dr. Jürgen Reif, Prof. Dr. Reiner Schmid
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2018
Date of final exam:2018/06/07
Release Date:2018/09/12
Tag:Desorption; Präzisionswaage; Sonnensegel; Strahlungsdruck
Desorption; High precision balance; Radiation pressure; Solar sailing
GND Keyword:Strahlungsdruck; Sonnensegel <Raumflug>; Extraterrestrische Physik
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Experimentalphysik und funktionale Materialien
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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