Entwicklung keramischer Festelektrolytsensoren zur Messung des Restsauerstoffgehalts im Weltraum

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden keramische Festelektrolytsensoren für die Messung des Sauerstoffpartialdruckes unter Hochvakuumbedingungen entwickelt und für den Einsatz im Weltraum optimiert. Diese Sensoren basieren auf dem amperometrischen Meßprinzip elektrochemischer Zellen, wobei als Elektrolyt 8 mol% Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid verwendet wurde, das bei erhöhten Temperaturen eine gute Leitfähigkeit für Sauerstoffanionen aufweist. Als Elektrodenmaterialien kamen Platin und Gold zum Einsatz. Im Rahmen des Optimierungsprozesses wurden außerdem physikalisch-mathematische Modelle entwickelt, die eine tiefere Einsicht in die Funktionsweise der Sensoren und deren Verhalten unter Hochvakuumbedingungen erlauben. Dadurch wurde die Interpretation der durch den Einsatz verschiedener Meßmethoden gefundenen Ergebnisse erleichtert und der Entwicklungsprozeß beschleunigt. Im Laufe der Entwicklungsarbeit ist es gelungen, die anfänglich unzureichende Meßgenauigkeit der Sensoren unter Hochvakuumbedingungen wesentlich zu verbessern, so daß diese nun verläßliche Signale liefern und für den Einsatz im Weltraum geeignet sind. Erreicht wurde dies zum einen durch eine Optimierung der Elektrodenkonfiguration, zum anderen durch den Einsatz von Mischelektroden. Bei diesen wurden dem jeweiligen Metall 10 % (massenbezogen) des als Elektrolyt eingesetzten Zirkoniumoxidpulvers zugemischt. Zusätzlich konnte gezeigt werden, daß es durch den parallelen Einsatz von Sensoren mit Platin- und Gold-Mischelektroden nicht nur möglich ist, zwischen atomarem und molekularem Sauerstoff zu unterscheiden, sondern auch die entsprechenden Partialdrücke zu bestimmen. Außer im Labor wurde das entwickelte Sensorsystem zudem auf einer russischen Wiedereintrittskapsel erfolgreich getestet und die Weltraumtauglichkeit des Gesamtsystems sowie der Sensoren nachgewiesen.

In the frame of this dissertation ceramic solid electrolyte sensor for the measurement of the residual oxygen partial pressure under high vacuum conditions were developed and optimized for their application in space. The sensors are based on the amperometric principle of electrochemical cells. As electrolyte 8 mol% Yttria stabilized Zirconia was used, which exhibits a high conductivity for oxygen ions at elevated temperatures. The electrodes were made of Platinum and Gold. For the optimization of the sensors, physical-mathematical models were developed, which allow a deeper insight into the function of the sensors and their behavior under high vacuum conditions. Thereby, the interpretation of the results obtained by various measurement methods was eased and the development process was accelerated. In the course of the performed work, it was possible to increase the accuracy of the sensors under high vacuum conditions considerably. Hence, they are now delivering reliable measurements and are suitable for an application in space. This was achieved on the one hand by the optimization of the electrode configuration and on the other hand by utilizing mixed electrodes. For those electrodes, 10 % of ceramic powder (Yttria stabilized Zirconia) was mixed to the respective metal pastes. In addition, it was possible to show, that by simultaneously employing sensors with electrodes made of Platinum and Gold, not only atomic and molecular oxygen can be distinguished but also that the respective partial pressures can be determined. Beside the experiments in the laboratory, the developed sensor system was successfully tested on a russian reentry capsule, which proofed that the entire system and the sensors are suitable for operation in space.