Ionikäyttö

NASAn ksenonionimoottorin koekäyttö
Deep Space 1 -avaruusanturin NSTAR-ionimoottori
Japanilainen avaruuskoetin Hayabusa ionipotkurilla (vasen)

Ionipotkuri on avaruusalusten propulsiomenetelmä ; ioni keulapotkurin käyttää rekyylin generoidun (neutraloitu) ionisuihkun liikkua. Käytetystä energialähteestä riippuen on erotettu aurinkosähkö (engl. Solar Electric Propulsion , SEP) ja ydinsähkökäyttö (engl. Nuclear Electric Propulsion , NEP).

Ionimoottorit tuottavat liian vähän työntövoimaa rakettien laukaisemiseksi suoraan maasta , mutta ne kuluttavat vähemmän tukimassaa kuin kemialliset moottorit. Siksi ne soveltuvat toissijaisiksi moottoreiksi energiatehokkaalle jatkuvalle toiminnalle, erityisesti planeettojen välisten antureiden pitkille radoille.

toiminto

Ionisäde syntyy ensin ionisoivista kaasupartikkeleista (esim. Ksenon ) tai pienistä pisaroista (esim. Elohopea ) katodin läpi . Sitten niitä kiihdytetään sähkökentässä . Kun hiukkaset kulkeutuvat niin kutsutun neutralisaattorin läpi , joka syöttää elektroneja takaisin säteeseen ja tekee siitä sähköisesti neutraalin, säteen muodossa.

Neutralisaattori on tärkeä osa järjestelmää. Ilman sitä se latautuu ja säde diffundoituu ja palaa avaruusalukseen kaarena. Ionien ja ohjuksen välinen vetovoima kuluttaa työntövoiman.

Käyttövoima ei ole sitoutunut reagoivissa polttoaineosissa, kuten kemiallisesti toimivien rakettien tapauksessa, vaan se tulee sovelletusta sähkömagneettisesta kentästä. Energia kenttien tuottamiseksi on toistaiseksi saatu enimmäkseen aurinkokennojen avulla . Polttoainetta perinteisessä mielessä ei ole, mutta tukimassa menetetään.

Radiotaajuisissa ionipotkurissa (RIT) potkuri käyttää yleensä jalokaasiksenonia tukimassana. Toimintakaasu ionisoidaan elektroni-isku-ionisaatiolla, jossa vapaat elektronit kiihdytetään 3 - 10 elektronivoltin energiaksi moottorin ympärille käärityn induktiokelan tuottaman  sähköisen pyörrekentän avulla . Tuloksena oleva plasmapurkaus kuuluu matalalämpötilaisten plasmojen luokkaan, jota käytetään monilla tekniikan alueilla (mukaan lukien loisteputket). Ionien luoma ionisaation (positiivisesti varautunut tapauksessa xenon) erotetaan moottorin avulla, joka sähköstaattisen kentän läpi ristikon järjestely, joka, mukaan lain säilyttämisen vauhtia , aiheuttaa työntövoiman vastakkaiseen suuntaan pakenevat ionit.

RIT: n onnistuneeseen käyttöönottoon tarvitaan muutama lisälaite, kuten kaasun virtauksen säätimet ja energialähteet, jotka tarjoavat esimerkiksi uuttamiseen tarvittavat korkeat jännitteet . Korkean suorituskyvyn korkean taajuuden syöttö saavutetaan tyypillisesti puolisiltatopologialla sarjaresonanssimuuntimessa , koska tämä mahdollistaa korkean sähköisen hyötysuhteen, joka edelleen tukee satelliitin lämmönhallintaa .

Sekä plasman fysikaaliset prosessit että moottorijärjestelmien rakentaminen ovat tutkimuksen kohteena monissa avaruuteen liittyvissä laitoksissa ja yrityksissä ympäri maailmaa. RIT-tekniikkaa edustaa kaupallisesti esimerkiksi ArianeGroup- yritys . Saksassa lisäksi ArianeGroup ( Lampoldshausen ), yliopistojen Giessen ( Justus Liebig University Giessen ja teknillinen yliopisto Keski Hessen ) ja Saksan ilmailu- ja avaruuskeskuksen vuonna Göttingen ensisijaisesti koskee tätä tekniikkaa.

vertailu

Verrattuna tavanomaisiin kemiallisiin rakettimoottoreihin, aikaisemmilla ionikäytöillä on paljon pienempi työntövoima, kun kyseessä ovat anturikäytöt, jotka ovat suunnilleen verrattavissa postikortin painoon (70 mikäwtons ), mutta huomattavasti suuremmalla kaasun poistumisnopeudella (10-130 km) / s, prototyypit jopa 210 km / s) ja huomattavasti pidempi toiminnan kesto. Avaruusaluksen kokonaismassa on kuitenkin pidettävä mahdollisimman pienenä riittävän kiihtyvyyden ja siten hyväksyttävän työntöajan saavuttamiseksi. SMART-1- koetin painaa esim. B. 367 kiloa ja kantajana 84 kg ksenonia tukimassana.

Yksi ongelma ionipotkurien kanssa on niiden tehontarve (SMART-1 1300 W vain potkuria varten). Ainoastaan ​​uusimmat kolmoisliitännät GaInP2 / GaAs / Ge-aurinkokennot tarjoavat riittävän tehon pinta-alaa kohden ( SMART-1: n kanssa noin 370  wattia / m², hyötysuhteella 27%) toimittamaan käyttökelpoisia ionikäyttöjä kohtuullisella aurinkopaneelilla .

Tietyn massan poistumisnopeuden kaksinkertaistaminen vaatii nelinkertaisen energian. Ionikäytön rakentamisen tavoitteena on pitää tarvittava tukimassa mahdollisimman alhaisena. Rakettien perusyhtälön mukaan tämä vaatii maksimaalisen ulosvirtausnopeuden. Ionikäytön rakentaminen on siten aina kompromissi energian ja sitä tukevien massavaatimusten välillä.

Ionien työntövoiman etu kemialliseen käyttövoimaan nähden on, että samalla annetulla kokonaisimpulssilla (eli saavutetulla nopeuden muutoksella) kulutetaan vähemmän tukimassaa, koska syntyvien hiukkasten nopeus on paljon suurempi. Painovoiman takia kiihtyvyyteen normalisoitu spesifinen impulssi on noin kuusi kertaa suurempi nykyisissä yli 3000 s: n ionipotkurissa kuin 470 s: n kemiallisissa potkureissa.

Tavanomaiset ionikäytöt toimivat vain tyhjiössä. Normaalien ilmaliikkeiden aiheuttama voima on yleensä suurempi kuin työntövoima. Marraskuussa 2018 MIT: n tutkijat esittivät ilmakehässä toimivan ionimoottorin kehittämisen.

Ionipotkurien syöttöteho on watti-kilowatti-alue ja työntövoima alle 1 N.Siksi ionipotkurit soveltuvat suurempien massojen kuljettamiseen vain, jos ne voivat toimia pidempään (viikkoja, kuukausia tai vuosia).

historia

Avaruuspioneeri Hermann Oberth esitteli ionikäytön periaatteen kuuluisimmasta teoksestaan ​​"Raketti planeettojen avaruuteen " jo vuonna 1923, jossa hän kuvasi ensimmäisen kerran suunnittelemansa ionikäytön.

1960-luvulla cesiumia tai elohopeaa käytettiin polttoaineena alkukokeissa , mutta ionien tuottamiseen käytetyt metallikomponentit syövyttivät nopeasti . Suurin ongelma oli partaterän terävän reunan korroosio, jolle tarvittavat ionit syntyivät pisara-ionisaation avulla. Vasta käyttämällä jalokaasuksenonia polttoaineena tämä ongelma hallittiin paremmin. Ksenonin lisäetuna on, että toisin kuin metallit, sitä ei tarvitse höyrystää, se on myrkytöntä ja se voidaan helposti kuljettaa moottoriin paineistetusta kaasusäiliöstä. Normaalisti kiinteän cesiumin uuttaminen oli käytännössä erityisen vaikeaa. Haittana elohopeaan verrattuna on pienempi atomimassa . Lisäksi ksenoni vaatii suurempia ionisaatioenergiaa kuin nämä kaksi metallia.

Vuonna RIT moottorin ( Radiotaajuisen ionimoottori ), ionit tuotetaan induktiivisella kytkennällä korkean taajuuden signaalin, kun taas sähköstaattinen Kaufman moottori kaasu ionisoidaan tasavirralla vastuuvapauden. HET-moottori (engl. Hall työntövoimalaitteet , Hall Drive ) ionizes ajaa kaasu elektroneja, jotka on ohjattu kiertoradalla. Prototyyppi RIT moottorin ensin työskennellyt Euroopan EURECA satelliitin vuonna 1992 . SMART-1 oli varustettu HET-moottorilla.

Nykypäivän ionipotkurit soveltuvat kahteen päätarkoitukseen käytettävissä olevan sähköenergian rajoitetun määrän vuoksi:

  • Marssin moottori planeettojen välisten koettimien läheisyydessä oleville Venuksen ja Merkuruksen planeetoille, jotka ovat lähellä aurinkoa, koska aurinkoenergiaa voidaan silti käyttää täällä pitkien työntöaikojen aikana.
  • Kiertoradan ohjauspotkurit suurille satelliiteille maan korkeilla kiertoradoilla, koska tässä häiritsevät voimat ja tarvittavat korjausimpulssit niiden kompensoimiseksi ovat hyvin pieniä.

Käyttö avaruusmatkoilla

Ensimmäinen ionikäyttöinen avaruusalus oli Deep Space 1 . Deep Space 1 lanseerattiin vuonna 1998 ja siinä oli Kaufman-tyyppinen NSTAR- moottori. Toinen ionikäyttöinen koetin oli Hayabusa , jonka JAXA laukaisi vuonna 2003. Kolmas ionikäyttöinen avaruusalus oli ESA: n vuonna 2003 laukaisema ja kuun ympäri kiertävä SMART-1- koetin . Dawn- tehtävät vuodelta 2007 ja Hayabusa 2 vuodesta 2014 ja vuodesta 2018 lähtien BepiColombo olivat riippuvaisia ​​voimakkaasti ionipotkurista . Vuonna 1992 EURECA-testisatelliitilla oli kokeellinen RIT-ionimoottori RITA-10 MBB / EADS: ltä. Vuonna 2001 ESA laukaisi Artemis- satelliitin , johon testipohjaisesti on asennettu kaksi uutta tyyppiä ionipotkuria, jotka eroavat toisistaan ​​ksenoni-ionien tuotannossa. Satelliitti kulki viimeiset 5000 km suunnitellulle geostationaaliselle kiertoradalle RIT-10- ionimoottorin avulla , joka oli alun perin tarkoitettu vain kiertoradan korjaamiseen, koska Ariane 5: n ylempi vaihe toi sen geotransfer-kiertoradalle (GTO) liian matala apogee .

Ionipotkuri on nyt vakiinnuttanut asemansa monissa kaupallisissa satelliiteissa . Siellä se ei toimi ensisijaisena ajoradalla kiertoradalle pääsemiseksi, vaan pohjois-etelä-ajelehdinnan polunhallintamoottorina, koska satelliitin on tuotettava noin 45-50 m / s nopeuden muutosta ( delta v ) vuodessa auringon ja kuun painovoimaiseen vaikutukseen . Ionipotkurien käyttö kiertoradan säätämiseen pidentää satelliittien käyttöikää, koska polttoainetta tarvitaan vähemmän, koska ominaisimpulssi on suurempi kuin kemiallisten potkurien. Eurooppalainen aakkoset , amerikkalainen Boeing 702 ja kiinalainen DFH-5-bussi ovat satelliittibusseja, jotka on varustettu ionimoottoreilla.

NetSatin neljällä Cubesatilla on ioniasemat , joten jopa hyvin pienet satelliitit voivat käyttää ionikäyttöä .

Toteutus ilmakehässä

Marraskuussa 2018 MIT onnistui ensimmäistä kertaa siirtämään ohjuksen ilmakehässä ionikäytöllä. Tätä tarkoitusta varten rakennettiin lentokoneen kaltainen runko, jonka siipien kärkiväli on 5 metriä. Siipien alla oli elektrodeja, joihin käytettiin +20 000 voltin jännitettä . Ilmassa oleva typpi ionisoitui elektrodien kohdalla . Ioneja kiihdytettiin soveltamalla -20 000 voltin jännitettä siipiin. Lentoaika oli 10 sekuntia ja se ylitti noin 60 metriä urheiluhallissa. Mukana olevien tutkijoiden mukaan etäisyyttä rajoitti yksinomaan salin koko. Tällä hetkellä ei ole mahdollista kuljettaa ihmisiä tai tavaroita. Mahdollisina käyttöalueina tutkijat nimeävät z. B. hiljaisemmat dronit.

Edistykset

Katso myös

kirjallisuus

  • Heinz Mielke : Avaruusteknologia - johdanto . Transpress VEB Verlag for Transport, Berliini 1974.
  • Dan M.Goebel ym.: Sähkökäyttöisen työn perusteet - Ion- ja Hall-potkurit. Wiley, Hoboken 2008, ISBN 978-0-470-42927-3 .

nettilinkit

Commons : ion propulsio  - kokoelma kuvia, videoita ja äänitiedostoja
Wikisanakirja: ion drive  - selitykset merkityksille, sanan alkuperälle, synonyymeille, käännöksille

Yksittäiset todisteet

  1. ↑ Erittäin tehokas uusi ionimoottori paljastettu . Uusi tutkija, 18. tammikuuta 2006.
  2. ↑ a b Ensimmäinen ionikäyttöinen ilma-alus suorittaa koelennon. Julkaisussa: wired.de. 22. marraskuuta 2018. Haettu 27. marraskuuta 2018 .
  3. ^ Ionikäyttö: Ensimmäinen lento. Julkaisussa: luontovideo ( Youtube ). 21. marraskuuta 2018. Haettu 27. marraskuuta 2018 .