Ionfremdrift

Testkjøring av en xenon-ion-motor fra NASA
NSTAR-ionmotor fra Deep Space 1 romføler
Japansk romføler Hayabusa med ionepropeller (venstre)

Ionfremdrift er en fremdriftsmetode for romfartøy ; et ion thruster bruker rekyl av en generert (nøytralisert) ionestråle til å bevege seg. Avhengig av den brukte energikilden er det mellom solenergi (engl. Solar Electric Propulsion , SEP) og atomkraftdrift (engl. Nuclear Electric Propulsion , NEP).

Ionmotorer genererer for lite skyvekraft for rakettoppskytning direkte fra jorden , men de bruker mindre støttemasse enn kjemiske motorer. Derfor er de egnet som sekundære motorer for energieffektiv kontinuerlig drift, spesielt for lange baner av interplanetære sonder.

funksjon

Ionstrålen genereres av første ioniserende gasspartikler (f.eks. Xenon ) eller små dråper (f.eks. Kvikksølv ) gjennom en katode . De akselereres deretter i et elektrisk felt . Etter å ha passert den såkalte nøytralisatoren , som mater elektroner tilbake i strålen og dermed gjør den elektrisk nøytral, blir partiklene kastet ut i form av en stråle.

Nøytralisatoren er en viktig del av systemet. Uten den ville den blitt ladet og strålen diffundert og returnert til romfartøyet i en bue. Tiltrekningskraften mellom ionene og missilet ville fortære skyveeffekten.

Drivkraften er ikke bundet i de reagerende drivstoffkomponentene, slik det er med kjemisk opererende raketter, men kommer fra det påførte elektromagnetiske feltet. Energien til å generere feltene har hittil stort sett blitt oppnådd ved hjelp av solceller . Et drivstoff i tradisjonell forstand eksisterer ikke, men støttemassen går tapt.

I radiofrekvensionpropellere (RIT) bruker thrusteren vanligvis edelgass-xenon som en støttemasse. Arbeidsgassen ioniseres ved elektronstøtionisering, der frie elektroner akselereres til energier på 3 til 10 elektronvolt av et elektrisk vortexfelt generert  av en induksjonsspole viklet rundt motoren . Den resulterende plasmautslipp tilhører klassen av lavtemperaturplasmaer, som brukes i mange teknologiske områder (inkludert for lysrør). Ionene som oppstår ved ionisering (positivt ladet i tilfelle xenon) blir ekstrahert fra motoren ved hjelp av et elektrostatisk felt gjennom et rutenett, som i henhold til loven om bevaring av momentum forårsaker skyv i motsatt retning av unnslippende ioner.

For vellykket igangkjøring av en RIT kreves noen få ekstra enheter som gassstrømningsregulatorer og energikilder, som for eksempel gir de høye spenningene som kreves for utvinningen . Matingen av høyytelses høy frekvens oppnås vanligvis med en halvbro topologi i en serieresonansomformer , da dette muliggjør høy elektrisk effektivitet som fortsetter å favorisere den termiske styringen av satellitten.

Både de plasmafysiske prosessene og konstruksjonen av motorsystemer er gjenstand for forskning for mange romrelaterte institusjoner og selskaper over hele verden. RIT-teknologi er for eksempel representert av selskapet ArianeGroup . I Tyskland, i tillegg til ArianeGroup ( Lampoldshausen ), er universitetene i Giessen ( Justus Liebig University i Giessen og Technical University of Central Hesse ) og det tyske luftfartssenteret i Göttingen først og fremst opptatt av denne teknologien.

sammenligning

Sammenlignet med konvensjonelle kjemiske rakettmotorer har tidligere ion-drivenheter et mye lavere trykk, når det gjelder sonde-drivenheter som er omtrent sammenlignbare med vekten til et postkort (70 millinewtons ), men med en betydelig økt utgangshastighet for gassen (10 til 130 km / s, prototyper opptil 210 km / s) og en betydelig lengre virkningstid. Den totale massen til romfartøyet må likevel holdes så liten som mulig for å oppnå tilstrekkelige akselerasjoner og dermed akseptable skyvetider for drift. SMART-1- sonden veier f.eks. B. 367 kilo og bar 84 kg xenon som støttemasse.

Et problem med ionepropellere er deres strømbehov (med SMART-1 1300 W bare for thrusteren). Bare det siste trippelkrysset GaInP2 / GaAs / Ge solceller gir tilstrekkelig kraft per område (med SMART-1 ca. 370  watt / m², effektivitet 27%) til å levere brukbare ion-stasjoner med en rimelig solcellepanelstørrelse .

Å doble utgangshastigheten til en viss masse krever fire ganger energien. Målet med konstruksjonen av en ionstasjon er å holde den nødvendige støttemassen så lav som mulig. I henhold til den grunnleggende rakettligningen krever dette en maksimal utstrømningshastighet. Konstruksjonen av en ion-stasjon er derfor alltid et kompromiss mellom energi og støttende massekrav.

Fordelen med ionedrivning fremfor kjemisk fremdrift er at med den samme totale impulsen som leveres (dvs. endringen i oppnådd hastighet), forbrukes mindre støttemasse fordi hastigheten til de fremvoksende partiklene er mye større. Den spesifikke impulsen normalisert til akselerasjonen på grunn av tyngdekraften er rundt seks ganger høyere i ionepropellene som er tilgjengelige i dag med over 3000 s enn i kjemiske thrustere med 470 s.

Konvensjonelle ionestasjoner fungerte bare i vakuum. Kraften som utøves av normale luftbevegelser er vanligvis større enn skyvekraften. I november 2018 presenterte forskere ved MIT utviklingen av en ionmotor som fungerer i atmosfæren.

Ionpropellere har inngangseffekt i watt til kilowatt-området og strekker seg under 1 N. Derfor er ionepropeller bare egnet for transport av større masser hvis de kan jobbe over lengre tid (uker, måneder eller år).

historie

Prinsippet med ionedrevet ble introdusert av romfareren Hermann Oberth i sitt mest berømte verk "The Rocket to Planetary Spaces" allerede i 1923, der han beskrev ionedrevet han designet for første gang.

På 1960-tallet ble cesium eller kvikksølv brukt som drivstoff i innledende eksperimenter , men metallkomponentene som ble brukt til å generere ioner, korroderte raskt . Det største problemet var korrosjonen av en knivskarp kant som de nødvendige ionene ble generert ved hjelp av dråpeionisering. Det var bare ved bruk av edelgassen xenon som drivstoff at dette problemet ble bedre håndtert. Ytterligere fordeler med xenon er at det, i motsetning til metaller, ikke trenger å fordampes, ikke er giftig og lett kan transporteres inn i motoren fra en trykksatt bensintank. Ekstraksjonen av normalt fast cesium var spesielt vanskelig i praksis. En ulempe sammenlignet med kvikksølv er den lavere atommassen . I tillegg krever xenonet høyere ioniseringsenergier enn de to metallene.

I RIT-motoren ( Radiofrequency Ion Thruster ) genereres ionene ved induktiv kobling av et høyfrekvent signal, mens i den elektrostatiske Kaufman-motoren blir gassen ionisert ved likestrømutladning. Den HET-motor (engl. Hall effekt thrustere , Hall Drive ) ioniserer drivgassen med elektroner og som er styrt på en sirkelbane. En prototype av en RIT-motor fungerte først på den europeiske EURECA- satellitten i 1992 . SMART-1 var utstyrt med en HET-motor.

Dagens ionepropeller er egnet for to hovedapplikasjoner på grunn av den begrensede mengden elektrisk energi som er tilgjengelig:

  • Marsjmotor for interplanetære sonder til planetene Venus og Merkur, som ligger nær solen, siden solenergi fremdeles kan brukes her i lange skyvekilder.
  • Orbit control thrustere for store satellitter i høye baner på jorden, siden her er de forstyrrende kreftene og de nødvendige korrigeringsimpulsene for å kompensere for dem veldig små.

Bruk i romfart

Det første ionedrevne romfartøyet var Deep Space 1 . Deep Space 1 ble lansert i 1998 og hadde en NSTAR- motor basert på Kaufman-typen. Den andre ionedrevne sonden var Hayabusa , lansert av JAXA i 2003. Den tredje ionedrevne sonden var SMART-1- sonden som ble lansert av ESA i 2003 og kretset rundt månen. Oppdragene Dawn fra 2007 og Hayabusa 2 fra 2014 og siden 2018 var BepiColombo sterkt avhengig av ionepropeller . I 1992 hadde EURECA-testsatellitten en eksperimentell RIT-ionmotor RITA-10 fra MBB / EADS om bord. I 2001 lanserte ESA Artemis- satellitten , der to nye typer ionepropeller er installert på testbasis, som er forskjellige i måten xenonionene produseres på. Satellitten dekket de siste 5000 km til den planlagte geostasjonære bane ved hjelp av RIT-10- ionmotoren , som opprinnelig bare var beregnet på korrigering av bane fordi den øvre fasen av Ariane 5 førte den inn i en geotransferbane (GTO) med også lav en apogee .

Ionpropelleren har nå etablert seg på mange kommersielle kommunikasjonssatellitter . Der fungerer den ikke som den primære stasjonen for å nå bane, men som en veistyringsmotor for nord-sør-drift, ettersom satellitten må generere rundt 45 til 50 m / s hastighetsendring ( delta v ) per år til gravitasjonspåvirkningen fra sol og måne . Bruk av ionepropeller for å regulere bane øker levetiden til satellittene fordi det kreves mindre drivstoff fordi den spesifikke impulsen er høyere enn den for kjemiske thrustere. Den europeiske Alphabus , den amerikanske Boeing 702 og den kinesiske DFH-5-bussen er satellittbusser utstyrt med ionmotorer.

De fire Cubesats fra NetSat har ion-stasjoner, så selv små satellitter kan bruke en ion-stasjon.

Implementering i atmosfæren

I november 2018 lyktes MIT for første gang i å flytte et rakett i atmosfæren ved hjelp av en ionedrev. For dette formålet ble det konstruert en flylignende kropp med et vingespenn på 5 meter. Under vingene var det elektroder som det ble påført en spenning på + 20 000 volt . Nitrogenet i luften ioniserte ved elektrodene . Ionene ble akselerert av en påført spenning på -20.000 volt på vingene. Flytiden var 10 sekunder og bro rundt 60 meter i en idrettshall. Ifølge de involverte forskerne var avstanden begrenset bare av størrelsen på hallen. Det er foreløpig ikke mulig å transportere mennesker eller varer. Som mulige bruksområder kaller forskerne z. B. roligere droner.

Fremskritt

Se også

litteratur

  • Heinz Mielke : Romfartsteknologi - en introduksjon . Transpress VEB Verlag for Transport, Berlin 1974.
  • Dan M. Goebel et al.: Grunnleggende om elektrisk fremdrift - Ion- og Hall-thrustere. Wiley, Hoboken 2008, ISBN 978-0-470-42927-3 .

weblenker

Commons : ion propulsion  - samling av bilder, videoer og lydfiler
Wiktionary: ion drive  - forklaringer på betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

Individuelle bevis

  1. ↑ Superkraftig ny ionemotor avslørt . Ny forsker, 18. januar 2006.
  2. ↑ a b Første ionedrevne fly fullfører testflyging. I: wired.de. 22. november 2018. Hentet 27. november 2018 .
  3. ^ Ion-kjøretur: Den første flyturen. I: naturvideo ( Youtube ). 21. november 2018. Hentet 27. november 2018 .