Ion meghajtás

A NASA xenonionos motorjának tesztfutása
A Deep Space 1 űrszonda NSTAR ionmotorja
A Hayabusa japán űrszonda ion-hajtókkal (balra)

Ion hajtómű egy meghajtási mód űrjármű ; egy ionhajtómű egy generált (semlegesített) ionnyaláb visszahúzódását használja a mozgáshoz. Az alkalmazott energiaforrástól függően megkülönböztetjük a napenergiát (angolul: Solar Electric Propulsion , SEP) és a nukleáris elektromos hajtást (angolul: Nuclear Electric Propulsion , NEP).

Az ionmotorok túl kevés tolóerőt generálnak egy rakéta indításához közvetlenül a Földről , de kevesebb támaszt fogyasztanak, mint a vegyi motorok. Ezért alkalmasak másodlagos motorokként az energiatakarékos folyamatos működéshez, különösen a bolygóközi szondák hosszú pályáin.

funkció

Az ionnyalábot először ionizáló gázrészecskék (pl. Xenon ) vagy apró cseppek (pl. Higany ) hozzák létre katódon keresztül . Ezután elektromos mezőben gyorsulnak fel . Miután áthaladt az úgynevezett semlegesítőn , amely az elektronokat visszatáplálja a nyalábba, és így elektromosan semlegessé teszi a részecskéket, nyaláb formájában kidobják.

A semlegesítő a rendszer fontos része. Nélküle feltöltődne, a sugár diffúz és ívben térne vissza az űrhajóhoz. Az ionok és a rakéta közötti vonzerő felemésztené a tolóerőt.

A meghajtási teljesítmény nem kötődik a reakcióba lépő üzemanyag-alkatrészekhez, mint a vegyileg üzemelő rakéták esetében, hanem az alkalmazott elektromágneses mezőből származik. A mezők előállításához szükséges energiát eddig leginkább napelemek segítségével nyertük . A hagyományos értelemben vett üzemanyag nem létezik, de a támasztó tömeg elvész.

A rádiófrekvenciás iondugókban (RIT) a tolóerő általában a nemesgáz-xenont használja hordozó tömegként. A munkagázt elektronütéses ionizációval ionizálják, amelynek során a szabad elektronokat a motor körül tekert indukciós tekercs által létrehozott elektromos örvénymező gyorsítja fel 3–10 elektronvolt energiáig  . Az így létrejövő plazma kisülés az alacsony hőmérsékletű plazmák osztályába tartozik, amelyet számos technológiai területen alkalmaznak (ideértve a fluoreszcens csöveket is). Az ionizáció által létrehozott ionok (a xenon esetében pozitív töltésűek) egy elektrosztatikus mező segítségével rácsos elrendezéssel nyerhetők ki a motorból, amely a lendület megőrzésének törvénye szerint az ellentétes irányú tolóerőt váltja ki . menekülő ionok.

A RIT sikeres üzembe helyezéséhez néhány további eszközre van szükség, például gázáramlás-szabályozókra és energiaforrásokra, amelyek például biztosítják az extrakcióhoz szükséges magas feszültséget . A nagy teljesítményű nagy frekvencia táplálását általában egy félhíd topológiával érik el egy soros rezonancia konverterben , mivel ez nagy elektromos hatékonyságot tesz lehetővé, amelyek továbbra is a műhold hőkezelését támogatják .

Mind a plazma-fizikai folyamatok, mind a motorrendszerek felépítése világszerte számos űrrel kapcsolatos intézmény és vállalat kutatási témája. A RIT technológiát kereskedelemben például az ArianeGroup vállalat képviseli. Németországban, ráadásul ArianeGroup ( Lampoldshausen ), az egyetemek Giessen ( Justus Liebig University Giessen és a Műszaki Egyetem Központi Hesse ), valamint a német Aerospace Center in Göttingen elsősorban érintett ezzel a technológiával.

összehasonlítás

A hagyományos vegyi rakétamotorokhoz képest a korábbi ionmeghajtók jóval alacsonyabb tolóerővel rendelkeznek, a szondahajtások esetében nagyjából összehasonlítható a képeslap súlyával (70 milyenwton ), de jelentősen megnövekedett gáz-kilépési sebességgel ( 10–130 km) / s, prototípusok 210 km / s-ig) és lényegesen hosszabb cselekvési idő. Az űrhajó teljes tömegét mindazonáltal a lehető legkisebbnek kell tartani annak érdekében, hogy elegendő gyorsulást és ezáltal elfogadható tolóidőt érjen el a működéshez. A SMART-1 szonda súlya pl. B. 367 kilogramm és 84 kg xenont hordozott hordozó tömegként.

Az iondugattyúk egyik problémája az energiaigényük (SMART-1 1300 W-val, csak a tolattyúhoz). Csak a legújabb hármas csomópontú GaInP2 / GaAs / Ge napelemek szolgáltatnak elegendő energiát területenként (a SMART-1- rel kb. 370  watt / m², hatékonyság 27%) ahhoz, hogy a használható ionhajtásokat megfelelő méretű napelemekkel szállítsák.

Egy adott tömeg kilépési sebességének megkétszerezése az energia négyszeresét igényli. Az ionmeghajtó megépítésének célja, hogy a szükséges támasztó tömeg a lehető legkisebb legyen. Az alapvető rakétaegyenlet szerint ehhez maximális kiáramlási sebességre van szükség. Az ionmeghajtó felépítése tehát mindig kompromisszum az energia és a támogató tömegigények között.

Az ionhajtás előnye a kémiai meghajtással szemben, hogy azonos leadott teljes impulzussal (azaz az elért sebességváltozással) kevesebb támasztó tömeg kerül elfogyasztásra, mert a feltörekvő részecskék sebessége sokkal nagyobb. A gravitáció hatására a gyorsulásra normalizált fajlagos impulzus körülbelül hatszor nagyobb a manapság 3000 s-nál nagyobb iontranszírozókban, mint a kémiai 470 mp-eseknél.

A hagyományos ionhajtások csak vákuumban működtek. A normál légmozgások által kifejtett erő általában nagyobb, mint a tolóerő. 2018 novemberében az MIT tudósai bemutatták a légkörben működő ionmotor fejlesztését.

Az iondugattyúk bemeneti teljesítménye a watt-kilowatt tartományba esik, a tolóerők pedig 1 N. alatt vannak. Ezért az ion-tolók csak nagyobb tömegek szállítására alkalmasak, ha hosszabb ideig (hetek, hónapok vagy évek) képesek működni.

történelem

Az ionmeghajtás elvét Hermann Oberth , az űrutazás már 1923- ban bevezette leghíresebb "A rakéta a bolygóűrbe" című művében, amelyben leírta az általa először tervezett ionhajtást.

Az 1960-as években a céziumot vagy a higanyot használták üzemanyagként a kezdeti kísérletek során , de az ionok előállításához használt fémkomponensek gyorsan korrodálódtak . A legnagyobb problémát egy borotvaéles perem korróziója okozta, amelyen cseppionizációval a szükséges ionok keletkeztek. Csak a nemesgén xenon üzemanyagként történő felhasználásával sikerült jobban kezelni ezt a problémát. A xenon további előnye, hogy a fémekkel ellentétben nem kell elpárologni, nem mérgező és nyomás alatt lévő gáztartályból könnyen szállítható a motorba. A normálisan szilárd cézium extrahálása a gyakorlatban különösen nehéz volt. A higanyhoz képest hátrány az alacsonyabb atomtömeg . Ezenkívül a xenon nagyobb ionizációs energiákat igényel, mint a két fém.

A RIT motorban ( Rádiófrekvenciás Ion Thruster ) az ionokat nagyfrekvenciás jel induktív összekapcsolásával generálják, míg az elektrosztatikus Kaufman motorban egyenáramú kisüléssel ionizálják a gázt. A HET motor (angl. Hall Effect thruster , Hall Drive ) körkörös úton vezetett elektronokkal ionizálja a hajtógázt. A RIT motor prototípusa először 1992-ben működött az európai EURECA műholdon . A SMART-1 HET motorral volt felszerelve.

A mai iontológépek két fő alkalmazásra alkalmasak a rendelkezésre álló korlátozott mennyiségű elektromos energia miatt:

  • A bolygók közötti szondák menetmotorja a Vénusz és a Merkúr bolygókhoz, amelyek közel vannak a naphoz, mivel a napenergiát még mindig itt lehet használni hosszú tolóerő alatt.
  • A föld magas pályáján lévő nagy műholdak orbitális irányítóberendezései, mivel itt a zavaró erők és az ezek kompenzálásához szükséges korrekciós impulzusok nagyon kicsiek.

Használat az űrutazásban

Az első ion-meghajtású űrhajó a Deep Space 1 volt . A Deep Space 1 1998-ban indult, és a Kaufman típusú NSTAR motorral rendelkezett. A második ionhajtású szonda a Hayabusa volt , amelyet a JAXA indított el 2003-ban. A harmadik ion-meghajtású űrszonda az SMA-1 szonda volt, amelyet az ESA 2003-ban indított el és a Hold körül kering. A 2007-es Dawn és 2014-től a Hayabusa 2 , valamint 2018 óta a BepiColombo küldetések nagymértékben függtek az ionhajtóktól . 1992-ben az EURECA teszt műholdnak egy fedélzetén volt egy MBB / EADS kísérleti RITA-10 motor RITA-10. 2001-ben az ESA elindította az Artemis műholdat , amelyre teszt alapon két új típusú ion-tolóerőt telepítettek, amelyek különböznek a xenonionok előállítási módjától. A műhold fedezte a legutóbbi 5000 km-re a tervezett geostacionárius pályára segítségével a RIT-10 ion motor , amelyet eredetileg csak szánt pályára korrekció, mert a felső szakaszában a Ariane 5 behoztuk a geotransfer pályára (GTO) túl alacsony apogee .

Az ionrugó mára számos kereskedelmi kommunikációs műholdon megalapozta magát . Ott nem a pályára jutás elsődleges hajtóerejeként szolgál, hanem az észak-déli sodródás útvonalvezérlő motorjaként, mivel a műholdnak évente körülbelül 45-50 m / s sebességváltozást ( delta v ) kell generálnia. a nap és a hold gravitációs hatására . Az iondugattyúk használata a pálya szabályozására megnöveli a műholdak élettartamát, mert kevesebb üzemanyagra van szükség, mert a fajlagos impulzus nagyobb, mint a vegyi hajtóműveké. Az európai Alphabus , az amerikai Boeing 702 és a kínai DFH-5 busz ionmotorokkal felszerelt műholdas busz .

A NetSat négy Cubesat készüléke rendelkezik ionmeghajtókkal, így még nagyon kicsi műholdak is használhatnak ionmeghajtót.

Megvalósítás a légkörben

2018 novemberében az MIT- nek először sikerült rakétát mozgatnia a légkörben ionmeghajtó segítségével. Erre a célra egy repülőgépszerű testet építettek 5 méter szárnyfesztávolsággal. A szárnyak alatt elektródák voltak, amelyekre +20 000 volt feszültséget alkalmaztak. A levegőben lévő nitrogén az elektródáknál ionizálódott . Az ionokat a szárnyakon −20 000 voltos feszültség gyorsította fel. A repülési idő 10 másodperc volt, és 60 méter körül áthidalódott egy sportcsarnokban. Az érintett tudósok szerint a távolságot kizárólag a terem mérete korlátozta. Jelenleg nem lehet embereket vagy árukat szállítani. Lehetséges alkalmazási területként a kutatók megnevezik z. B. csendesebb drónok.

Haladás

Lásd még

irodalom

  • Heinz Mielke : Az űrrepülés technológiája - bevezetés . Transpress VEB Verlag for Transport, Berlin 1974.
  • Dan M. Goebel és mtsai: Az elektromos meghajtás alapjai - Ion és Hall tolókerekek. Wiley, Hoboken 2008, ISBN 978-0-470-42927-3 .

web Linkek

Commons : ion meghajtás  - képek, videók és hangfájlok összegyűjtése
Wikiszótár: ionmeghajtás  - jelentésmagyarázatok, szóeredetek, szinonimák, fordítások

Egyéni bizonyíték

  1. Szuperhatékony új ionmotor került elő . Új Tudós, 2006. január 18.
  2. a b Az első ionos hajtású repülőgép befejezi a próbarepülést. In: vezetékes.de. 2018. november 22. Letöltve: 2018. november 27 .
  3. ^ Ion hajtás: Az első járat. In: természet videó ( Youtube ). 2018. november 21. Letöltve: 2018. november 27 .