Open Access

Matthias Lindner

• Das grundlegende physikalische Verständnis und die kontinuierliche Weiterentwicklung von dielektrischen Oberflächenbarrierenentladungen (SDBDs) sowie der damit verbundenen elektrischen Diagnostik, sind für eine Vielzahl von Niedertemperaturplasmaanwendungen von entscheidender Bedeutung. In Bezug auf die Anwendung dieser Plasmatechnologie in der Luftfahrt liegt neben der bereits umfassend erforschten aktiven Strömungskontrolle zunehmend der Schwerpunkt auf der Vermeidung von Eisablagerungen auf aerodynamischen Komponenten. Die Bildung von Eis auf Oberflächen wie zum Beispiel den Tragflächen kann unter extremen Wetterbedingungen erhebliche Leistungsdefizite hervorrufen und zu ernsthaften Sicherheitsrisiken führen. In Anbetracht der signifikanten Vorteile gegenüber traditionellen Enteisungsmethoden steht die Erforschung von SDBDs im Mittelpunkt des anwendungsorientierten Abschnitts dieser Arbeit. Vorliegende Arbeit untergliedert sich in einen grundlegenden und einen anwendungsbezogenenDas grundlegende physikalische Verständnis und die kontinuierliche Weiterentwicklung von dielektrischen Oberflächenbarrierenentladungen (SDBDs) sowie der damit verbundenen elektrischen Diagnostik, sind für eine Vielzahl von Niedertemperaturplasmaanwendungen von entscheidender Bedeutung. In Bezug auf die Anwendung dieser Plasmatechnologie in der Luftfahrt liegt neben der bereits umfassend erforschten aktiven Strömungskontrolle zunehmend der Schwerpunkt auf der Vermeidung von Eisablagerungen auf aerodynamischen Komponenten. Die Bildung von Eis auf Oberflächen wie zum Beispiel den Tragflächen kann unter extremen Wetterbedingungen erhebliche Leistungsdefizite hervorrufen und zu ernsthaften Sicherheitsrisiken führen. In Anbetracht der signifikanten Vorteile gegenüber traditionellen Enteisungsmethoden steht die Erforschung von SDBDs im Mittelpunkt des anwendungsorientierten Abschnitts dieser Arbeit. Vorliegende Arbeit untergliedert sich in einen grundlegenden und einen anwendungsbezogenen Teil. Darin werden sowohl die physikalischen Eigenschaften und Prozesse von SDBDs analysiert als auch ihre potenziellen Anwendungen in Bezug auf Flugsicherheit und Effizienz untersucht. Die wissenschaftliche Forschung hat in der Vergangenheit erhebliche Anstrengungen unternommen, um ein umfassendes Verständnis der physikalischen Vorgänge, die im Zusammenhang mit SDBDs stehen, zu erarbeiten. Insbesondere die präzise Bestimmung der räumlichen Ausdehnung der Entladung entlang der dielektrischen Oberfläche - die üblicherweise in direkter Proportionalität zur Amplitude der angelegten Spannung steht - ist hierbei eine herausfordernde Aufgabe. Diese umfangreichen Studien sind essenziell, um die Entladungseigenschaften und die grundlegenden physikalischen Prozesse zu verstehen, was erhebliche Anwendungspotenziale eröffnet. Parallel zu diesen grundlegenden Studien hat sich auch der praktische Einsatz von SDBDs zur Verhinderung der Eisbildung auf aerodynamischen Bauteilen bedeutend weiterentwickelt. Untersuchungen legen nahe, dass Lösungen auf Basis von SDBDs im Vergleich zu konventionellen Enteisungsmethoden, wie beispielsweise chemischen Enteisungsmitteln oder thermischen Systemen, ein höheres Effizienz- und Wirkungspotential besitzen könnten. Allerdings wurden bisherige Entwicklungen von SDBDs hauptsächlich auf Basis der Leiterplattentechnologie realisiert, was bestimmte Begrenzungen in Bezug auf ihre Anwendbarkeit für Anti-Icing- Technologie mit sich bringt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die sequentielle Ausbreitung der SDBD-Entladung entlang der dielektrischen Al2O3-Oberfläche systematisch analysiert. Die durchgeführten experimentellen Untersuchungen zeigten, dass die Entladungen unmittelbar nach dem Erreichen der Zündspannung einen fest definierten Bereich belegen, der bis zum Erreichen einer kritischen Spannungsamplitude VL stabil bleibt. Anzumerken ist auch, dass das Ausbleiben der Plasmaausbreitung innerhalb dieses Spannungsbereichs zu einer linearen Korrelation zwischen der Entladungsleistung und der angelegten Spannungsamplitude führt. Diese tiefergehenden Einblicke in die Dynamik der Entladung können dazu beitragen, den Einsatz von SDBDs in diversen Anwendungsbereichen effizienter zu gestalten. Im zweiten Teil der Arbeit steht die Entwicklung und Implementierung eines innovativen Ansatzes zur Realisierung von SDBDs im Vordergrund, der auf der Nutzung von Dünnschichtsubstra-Vten und mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) basiert. Die Verwendung dieser Technologie erlaubt einen präziseren Design- und Fertigungsprozess von Elektrodenstrukturen, was sich positiv auf die Effizienz der Enteisung auswirken kann. Zur Beurteilung des Anti-Icing-Potenzials der entwickelten MEMS-SDBDs wurde ein direkter Vergleich mit konventionellen PCB-SDBDs durchgeführt. Die Ergebnisse legen nahe, dass die 35 μm dicken Elektroden der PCB-SDBDs eine Oberflächenvereisung fördern, die vorrangig durch die Elektrodenkanten induziert wird. Im Gegensatz dazu wurde dieser Effekt bei den deutlich dünneren, lediglich 0.3 μm dicken, mittels MEMS gefertigten Elektroden nicht festgestellt. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass SDBDs, die mit MEMS-Technologien gefertigt wurden, einen signifikanten Vorteil in Anti-Icing-Anwendungen aufweisen könnten und stellen somit einen wesentlichen Fortschritt in der Forschung und Anwendung von SDBDs dar. Die in dieser Arbeit vorgelegten Forschungsergebnisse und innovativen Methoden liefern zahlreiche neue Erkenntnisse, die das Potential besitzen, sowohl das Verständnis als auch die Anwendung von SDBDs wesentlich zu erweitern. So bestätigen die Langzeitbelichtungsaufnahmen das neu entdeckte Phänomen einer sequenziellen Ausbreitung des Entladungsplasmas, das bei SDBDs mit dickeren Dielektrika stärker ausgeprägt ist. Eine neu entwickelte Methodik ermöglicht die Anwendung der Ladungs-Spannungs- Charakteristik von SDBDs, um essenzielle Parameter für ein vereinfachtes Ersatzschaltbild abzuleiten. Darüber hinaus wurde eine bemerkenswerte numerische Übereinstimmung zwischen der Ladungs-Spannungs-Charakteristik für den positiven Halbzyklus der Entladung und der aus den optischen Aufnahmen abgeleiteten spannungsabhängigen Reaktorkapazität festgestellt. Diese Erkenntnisse öffnen neueWege für die Optimierung und Anwendung von SDBDs in verschiedenen technischen Bereichen. Weiterhin identifizierte die durchgeführte Erosionsstudie Titan als optimal geeignetes Material für MEMS-Elektroden aufgrund seiner hohen Korrosionsbeständigkeit und ausgezeichneten elektrischen Leitfähigkeit. Es wurden auch Potentiale zur Optimierung von MEMS-SDBDs durch die Auswahl geeigneter dielektrischer Materialien und geeigneter SDBD-Geometrien aufgezeigt. Eine solche Optimierung könnte die Enteisungseffizienz weiter verbessern, indem beispielsweise die dielektrischen Eigenschaften an die spezifischen Anwendungsanforderungen angepasst werden. Innovative Designkonzepte, wie eine gezielte Anordnung der Elektroden oder die Integration von Sensoren zur Überwachung des Enteisungsprozesses, könnten ebenfalls zur Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von MEMS-SDBDs beitragen. Ein weiterer bedeutender Aspekt ist die Anwendung von Piezotransformatoren zur Generierung der benötigten Hochspannung für SDBD-Systeme. Dieser innovative Ansatz könnte die Effizienz des auf SDBD-Technologie basierenden Enteisungsverfahrens optimieren und somit zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Sicherheit von Flugzeugen unter extremen Wetterbedingungen beitragen. Das Forschungsfeld bietet viel Raum für zukünftige Studien, was die Bedeutung und Zukunftsrelevanz der in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse hervorhebt.…
• The fundamental physical understanding and continuous development of Surface Dielectric Barrier Discharges (SDBDs) and associated electrical diagnostics are of crucial importance for a wide range of low-temperature plasma applications. Regarding the application of this plasma technology in aviation, the focus is increasingly on the prevention of ice accumulation on aerodynamic components, in addition to the already extensively researched active flow control. The formation of ice on surfaces such as the wings can cause significant performance deficits under extreme weather conditions and lead to serious safety risks. Considering the significant advantages over traditional de-icing methods, the investigation of SDBDs is at the forefront of the application-oriented section of this work. This work is divided into a fundamental and an application-oriented part. Both the physical properties and processes of SDBDs are analyzed and their potential applications in terms of flight safety andThe fundamental physical understanding and continuous development of Surface Dielectric Barrier Discharges (SDBDs) and associated electrical diagnostics are of crucial importance for a wide range of low-temperature plasma applications. Regarding the application of this plasma technology in aviation, the focus is increasingly on the prevention of ice accumulation on aerodynamic components, in addition to the already extensively researched active flow control. The formation of ice on surfaces such as the wings can cause significant performance deficits under extreme weather conditions and lead to serious safety risks. Considering the significant advantages over traditional de-icing methods, the investigation of SDBDs is at the forefront of the application-oriented section of this work. This work is divided into a fundamental and an application-oriented part. Both the physical properties and processes of SDBDs are analyzed and their potential applications in terms of flight safety and efficiency are examined. Past scientific research has made considerable efforts to develop a comprehensive understanding of the physical processes associated with SDBDs. The precise determination of the spatial extension of the discharge along the dielectric surface - which is typically in direct proportion to the amplitude of the applied voltage - is a challenging task. These extensive studies are essential to understand the discharge characteristics and the fundamental physical processes, revealing significant application potential. In parallel to these fundamental studies, the practical use of SDBDs for preventing ice formation on aerodynamic components has also made significant progress. Research suggests that solutions based on SDBDs could have higher efficiency and effect potential compared to conventional de-icing methods such as chemical de-icing agents or thermal systems. However, past developments of SDBDs have been mainly based on printed circuit board technology, which brings certain limitations in terms of their applicability for anti-icing technology. In the first part of this work, the sequential propagation of the SDBD discharge along the dielectric Al2O3 surface was systematically analyzed. The experimental investigations carried out showed that the discharges occupy a fixed area immediately after reaching the ignition voltage, which remains stable until a critical voltage amplitude VL is reached. It should also be noted that the absence of plasma expansion within this voltage range leads to a linear correlation between the discharge power and the applied voltage amplitude. These deeper insights into the dynamics of the discharge can contribute to making the use of SDBDs more efficient in various application areas. In the second part of the work, the development and implementation of an innovative approach to realize SDBDs is in the foreground, based on the use of thin-film substrates and Microelectromechanical Systems (MEMS). Using this technology allows for a more precise design and manufacturing process of electrode structures, which can positively affect the efficiency of deicing. To assess the anti-icing potential of the developed MEMS-SDBDs, a direct comparison with conventional PCB-SDBDs was conducted. The results suggest that the 35 μm thick electrodes of the PCB-SDBDs promote surface icing, primarily induced by the electrode edges. In contrast, this effect was not observed with the much thinner, only 0.3 μm thick, electrodes produced using MEMS. These observations suggest that SDBDs manufactured using MEMS technologies could have a significant advantage in anti-icing applications and thus represent a significant advance in the research and application of SDBDs. The research results and innovative methods presented in this work provide numerous new insights that have the potential to significantly expand both the understanding and application of SDBDs. Long-exposure photographs confirm the newly discovered phenomenon of a stepwise expansion of the discharge plasma, which is more pronounced for SDBDs with thicker dielectrics. A new methodological approach – the bow tie plot - allows the utilization of the charge-voltage relationship in SDBDs to derive crucial parameters from the simplest equivalent circuit model. Furthermore, a remarkable numerical agreement was found between the charge-voltage characteristic for the positive half-cycle of the discharge and the voltage-dependent reactor capacity derived from the optical images. These findings present new opportunities for the enhancement and deployment of SDBDs across various technological sectors. Moreover, the erosion study conducted identified titanium as the optimal material for MEMS electrodes due to its high corrosion resistance and excellent electrical conductivity. There were also potentials for optimizing MEMS-SDBDs by selecting suitable dielectric materials and suitable SDBD geometries. Such optimization could further improve de-icing efficiency, for example by adjusting the dielectric properties to the specific application requirements. Innovative design concepts, such as targeted arrangement of electrodes or integration of sensors for monitoring the de-icing process, could also contribute to the performance and reliability of MEMS-SDBDs. Another significant aspect is the application of piezoelectric transformers to generate the required high voltage for SDBD systems. This innovative approach could optimize the efficiency of the de-icing process based on SDBD technology and thus contribute to improving the performance and safety of aircraft under extreme weather conditions. The field of research offers great potential for future studies, which underscores the significance and future relevance of the results obtained in this work.…