Iontový pohon

Zkušební provoz xenonového iontového motoru od NASA
Iontový motor NSTAR vesmírné sondy Deep Space 1
Japonská vesmírná sonda Hayabusa s iontovými tryskami (vlevo)

Ionový pohon je pohonná metoda pro kosmické lodě ; ion vrtule používá zpětný ráz generované (zneutralizovaného) iontovým svazkem se pohybovat. V závislosti na použitém zdroji energie se rozlišuje mezi solární elektrickou energií (angl. Solar Electric Propulsion , SEP) a jaderným elektrickým pohonem (angl. Nuclear Electric Propulsion , NEP).

Ionové motory generují příliš malý tah pro odpálení rakety přímo ze Země , ale spotřebovávají méně podpůrné hmoty než chemické motory. Proto jsou vhodné jako sekundární motory pro energeticky efektivní nepřetržitý provoz, zejména pro dlouhé dráhy meziplanetárních sond.

funkce

Iontový paprsek je generován prvními částicemi ionizujícího plynu (např. Xenon ) nebo malými kapičkami (např. Rtuť ) katodou . Poté se zrychlují v elektrickém poli . Po průchodu takzvaným neutralizátorem , který dodává elektrony zpět do paprsku a tím ho činí elektricky neutrálním, jsou částice vymrštěny ve formě paprsku.

Neutralizátor je důležitou součástí systému. Bez ní by se nabila a paprsek by se rozptýlil a vrátil se do kosmické lodi v oblouku. Síla přitažlivosti mezi ionty a raketou by pohltila účinek tahu.

Síla pohonu není vázána v reagujících složkách paliva, jako je tomu u chemicky pracujících raket, ale pochází z aplikovaného elektromagnetického pole. Energie pro generování polí byla dosud většinou získávána pomocí solárních článků . Palivo v tradičním smyslu neexistuje, ale nosná hmota je ztracena.

U vysokofrekvenčních iontových trysek (RIT) používá tryska obvykle xenon vzácného plynu jako nosnou hmotu. Pracovní plyn je ionizován ionizací nárazem elektronů, při které jsou volné elektrony urychlovány na energie 3 až 10 elektronvoltů elektrickým vírovým polem generovaným  indukční cívkou navinutou kolem motoru . Výsledný plazmový výboj patří do třídy nízkoteplotních plazmat, která se používá v mnoha technologických oblastech (včetně zářivek). Ionty vytvořené ionizací (v případě xenonu kladně nabité) jsou z motoru extrahovány pomocí elektrostatického pole prostřednictvím uspořádání mřížky, které podle zákona zachování hybnosti způsobuje tah v opačném směru unikající ionty.

Pro úspěšné uvedení RIT do provozu je zapotřebí několik dalších zařízení, jako jsou regulátory průtoku plynu a zdroje energie, které například zajišťují vysoké napětí potřebné pro extrakci . Napájení vysoce výkonné vysoké frekvence je obvykle dosaženo topologií polovičního můstku v sériovém rezonančním převodníku , protože to umožňuje vysokou elektrickou účinnost, která nadále upřednostňuje tepelné řízení satelitu.

Jak plazmaticko-fyzikální procesy, tak konstrukce motorových systémů jsou předmětem výzkumu mnoha vesmírných institucí a společností po celém světě. Technologie RIT je komerčně zastoupena například společností ArianeGroup . V Německu se touto technologií zabývají kromě ArianeGroup ( Lampoldshausen ) především univerzity v Giessenu ( Univerzita Justuse Liebiga v Giessenu a Technická univerzita v centrálním Hesensku ) a Německé letecké a kosmické centrum v Göttingenu .

srovnání

Ve srovnání s konvenčními chemickými raketovými motory mají předchozí iontové pohony mnohem nižší tah, v případě sondových pohonů zhruba srovnatelný s hmotností pohlednice (70 milinewtonů ), ale s výrazně zvýšenou výstupní rychlostí plynu (10 až 130 km / s, prototypy až 210 km / s) a výrazně delší doba působení. Celková hmotnost kosmické lodi musí být nicméně udržována na co nejmenší hodnotě, aby bylo dosaženo dostatečných zrychlení a tím přijatelných dob tahu pro provoz. Sonda SMART-1 váží např. B. 367 kilogramů a nesl 84 kg xenonu jako podpůrná hmota.

Jedním z problémů iontových trysek je jejich energetický požadavek (u SMART-1 1300 W pouze pro trysku). Pouze nejnovější solární články GaInP2 / GaAs / Ge s trojitým spojením poskytují dostatečný výkon na plochu (s SMART-1 přibližně 370  W / m², účinnost 27%), aby mohly dodávat použitelné iontové pohony s rozumnou velikostí solárního panelu .

Zdvojnásobení výstupní rychlosti určité hmoty vyžaduje čtyřnásobek energie. Cílem konstrukce iontového pohonu je udržet požadovanou nosnou hmotnost na co nejnižší úrovni. Podle základní rovnice rakety to vyžaduje maximální rychlost odtoku. Konstrukce iontového pohonu je proto vždy kompromisem mezi energetickými a podpůrnými požadavky na hmotnost.

Výhodou iontového pohonu oproti chemickému pohonu je to, že se stejným celkovým dodaným impulzem (tj. Dosaženou změnou rychlosti) se spotřebuje méně podpůrné hmoty, protože rychlost vznikajících částic je mnohem větší. Specifický impuls normalizovaný na zrychlení v důsledku gravitace je přibližně šestkrát vyšší u dnes dostupných iontových trysek s více než 3000 s než u chemických trysek s 470 s.

Konvenční iontové pohony fungovaly pouze ve vakuu. Síla vyvíjená běžnými pohyby vzduchu je obvykle větší než tah. V listopadu 2018 představili vědci na MIT vývoj iontového motoru, který pracuje v atmosféře.

Iontové trysky mají vstupní síly v rozsahu wattů až kilowattů a tahy pod 1 N. Proto jsou iontové trysky vhodné pro přepravu větších hmot pouze v případě, že mohou pracovat delší dobu (týdny, měsíce nebo roky).

Dějiny

Princip iontového pohonu představil vesmírný průkopník Hermann Oberth ve svém nejslavnějším díle „The Rocket to Planetary Spaces“ již v roce 1923, ve kterém popsal iontový pohon, který navrhl poprvé.

V 60. letech se jako palivo v počátečních experimentech používalo cesium nebo rtuť , ale kovové komponenty používané k výrobě iontů rychle korodovaly . Největším problémem byla koroze ostří jako břitva, na kterém byly pomocí ionizace kapiček generovány potřebné ionty. Pouze s použitím xenonu z ušlechtilého plynu jako paliva se tento problém lépe zvládl. Další výhody xenonu spočívají v tom, že na rozdíl od kovů se nemusí odpařovat, je netoxický a lze jej snadno dopravit do motoru z tlakové nádrže na plyn. Extrakce normálně pevného cesia byla v praxi obzvláště obtížná. Nevýhodou ve srovnání se rtutí je nižší atomová hmotnost . Kromě toho xenon vyžaduje vyšší ionizační energie než tyto dva kovy.

V motoru RIT ( Radiofrequency Ion Thruster ) jsou ionty generovány indukční vazbou vysokofrekvenčního signálu, zatímco v elektrostatickém Kaufmanově motoru je plyn ionizován výbojem stejnosměrného proudu. Motor HET (angl. Hall Effect thrusters , Hall Drive ) ionizuje hnací plyn elektrony, které jsou vedeny po kruhové dráze. Prototyp s RIT motoru nejprve pracoval na webových stránkách Evropské Eureca satelitu v roce 1992 . SMART-1 byl vybaven motorem HET.

Dnešní iontové trysky jsou kvůli omezenému množství dostupné elektrické energie vhodné pro dvě hlavní aplikace:

  • Pochodový motor pro meziplanetární sondy na planety Venuše a Merkur, které jsou blízké slunci, protože zde lze během dlouhých časů tahu stále využívat sluneční energii.
  • Orbitové řídicí trysky pro velké satelity na vysokých oběžných drahách Země, protože zde jsou rušivé síly a nezbytné korekční impulsy k jejich kompenzaci velmi malé.

Použití v kosmickém cestování

První kosmická loď s iontovým pohonem byla Deep Space 1 . Deep Space 1 byl spuštěn v roce 1998 a měl motor NSTAR založený na typu Kaufman. Druhou iontově poháněnou sondou byla Hayabusa , kterou vypustila společnost JAXA v roce 2003. Třetí iontově poháněnou sondou byla sonda SMART-1 vypuštěná ESA v roce 2003 a obíhající kolem Měsíce. Mise Dawn z roku 2007 a Hayabusa 2 z roku 2014 a od roku 2018 BepiColombo byly silně závislé na iontových tryskách . V roce 1992 měl testovací satelit EURECA na palubě experimentální iontový motor RIT RITA-10 od MBB / EADS. V roce 2001 ESA zahájila v Artemis satelit , na kterém byly nainstalovány dva nové typy iontový motor na zkušební bázi, které se liší ve způsobu, jakým jsou vytvářeny xenonové ionty. Družice ujela posledních 5 000 km na plánovanou geostacionární dráhu pomocí iontového motoru RIT-10 , který byl původně určen pouze pro korekci dráhy, protože horní stupeň jeho Ariane 5 jej přivedl na geotransferovou dráhu (GTO) také nízký apogee .

Iontový propeler se nyní etabloval na mnoha komerčních komunikačních satelitech . Tam neslouží jako primární pohon k dosažení oběžné dráhy, ale jako motor pro řízení dráhy pro drift sever-jih, protože satelit musí generovat přibližně 45 až 50 m / s změny rychlosti ( delta v ) za rok kvůli na gravitační vlivy slunce a měsíce . Použití iontových trysek k regulaci dráhy zvyšuje životnost satelitů, protože je zapotřebí méně paliva, protože specifický impuls je vyšší než u chemických trysek. Evropský Alphabus , americký Boeing 702 a čínský autobus DFH-5 jsou satelitní autobusy vybavené iontovými motory.

Čtyři krychle Cubesat od společnosti NetSat mají iontové pohony, takže i velmi malé satelity mohou používat iontový pohon.

Implementace v atmosféře

V listopadu 2018 se MIT poprvé podařilo přesunout raketu v atmosféře pomocí iontového pohonu. Za tímto účelem bylo zkonstruováno tělo podobné letadlu s rozpětím křídel 5 metrů. Pod křídly byly elektrody, na které bylo aplikováno napětí +20 000 voltů . Dusík ve vzduchu ionizoval na elektrodách . Ionty byly urychlovány přiloženým napětím -20 000 voltů na křídlech. Doba letu byla 10 sekund a překlenula asi 60 metrů ve sportovní hale. Podle zúčastněných vědců byla vzdálenost omezena pouze velikostí haly. V současné době není možné přepravovat lidi ani zboží. Jako možné oblasti použití vědci pojmenovávají z. B. tišší drony.

Pokroky

Viz také

literatura

  • Heinz Mielke : Technologie kosmických letů - úvod . Transpress VEB Verlag pro dopravu, Berlín 1974.
  • Dan M. Goebel a kol.: Základy elektrického pohonu - trysky Ion a Hall. Wiley, Hoboken 2008, ISBN 978-0-470-42927-3 .

webové odkazy

Commons : iontový pohon  - sbírka obrázků, videí a zvukových souborů
Wikislovník: iontová jednotka  - vysvětlení významů, původ slov, synonyma, překlady

Individuální důkazy

  1. ↑ Byl odhalen super výkonný nový iontový motor . Nový vědec, 18. ledna 2006.
  2. ↑ a b První letoun s iontovým pohonem dokončil zkušební let. In: wired.de. 22. listopadu 2018. Citováno 27. listopadu 2018 .
  3. ^ Ion drive: První let. In: video o přírodě ( Youtube ). 21. listopadu 2018. Citováno 27. listopadu 2018 .