Ionenantrieb

Testlauf eines Xenon-Ionentriebwerks der NASA

NSTAR-Ionentriebwerk der "Deep Space 1"-Raumsonde

Japanische Raumsonde Hayabusa mit Ionentriebwerken (links)

Ionenantrieb ist eine Antriebsmethode für Raumfahrzeuge; ein Ionentriebwerk nutzt den Rückstoß eines erzeugten (neutralisierten) Ionenstrahls zur Fortbewegung. Je nach genutzter Energiequelle wird zwischen solar-elektrischem (engl. {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value), SEP) und nuklear-elektrischem Antrieb (engl. {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value), NEP) unterschieden.

Ionentriebwerke erzeugen zwar einen für einen Raketenstart direkt von der Erde zu geringen Schub, verbrauchen aber weniger Stützmasse als chemische Triebwerke. Deshalb sind sie als Sekundärtriebwerke für den energie-effizienten Dauerbetrieb geeignet, besonders für die langen Flugbahnen interplanetarer Sonden. Gegenwärtig erreichen sie Leistungen bis in den Kilowatt-Bereich.

Funktion

Erzeugt wird der Ionenstrahl, indem Gasteilchen (z. B. Xenon) oder Kleinsttröpfchen (z. B. Quecksilber) durch eine Kathode zunächst ionisiert werden. Anschließend werden sie in einem elektrischen Feld beschleunigt. Nach der Passage des sogenannten Neutralisators, der dem Strahl wieder Elektronen zuführt und ihn somit elektrisch neutral macht, werden die Teilchen in Form eines Strahls ausgestoßen.

Der Neutralisator ist ein wichtiger Bestandteil des Systems. Ohne ihn würde dieses sich aufladen und der Strahl diffundieren und in einem Bogen zum Raumfahrzeug zurückkehren. Die Anziehungskraft zwischen Ionen und Flugkörper würde die Schubwirkung aufzehren.

Die Antriebsleistung ist nicht wie bei chemisch arbeitenden Raketen in den reagierenden Treibstoffkomponenten gebunden, sondern stammt vom angelegten elektromagnetischen Feld. Die Energie zur Erzeugung der Felder wird bisher meist mit Hilfe von Solarzellen gewonnen. Ein Treibstoff im herkömmlichen Sinne existiert nicht, jedoch geht die Stützmasse verloren.

Am Beispiel des Radiofrequenz-Ionentriebwerkes (RIT) wird die Stützmasse typischerweise in Form des Edelgases Xenon dem Triebwerk zugeführt. Das Arbeitsgas wird per Elektronenstoßionisation ionisiert, indem freie Elektronen durch ein elektrisches Wirbelfeld, das von einer um das Triebwerk gewundenen Induktionsspule hervorgerufen wird, typischerweise auf Energien im Bereich 3-10 Elektronenvolt beschleunigt werden. Damit zählt die entstehende Plasmaentladung zur Klasse der Niedertemperaturplasmen, welche in vielen technologischen Bereichen eingesetzt wird (u. a. für Leuchtmittel am Beispiel der umgangssprachlichen "Halogenlampe"). Die durch die Ionisation entstandenen (im Falle von Xenon positiv) geladenen Ionen werden mittels eines elektrostatischen Feldes durch eine Gitteranordnung aus dem Triebwerk extrahiert, wodurch nach dem Impulserhaltungssatz Schub in die entgegengesetzte Richtung der entweichenden Ionen verursacht wird.

Zur erfolgreichen Inbetriebnahme eines RIT sind einige periphere Einrichtungen wie Gasflussregler und Energiequellen vonnöten, die zum Beispiel die für die Extraktion notwendigen Hochspannungen bereitstellen. Die Einspeisung der leistungsstarken Hochfrequenz wird typischerweise mit einer Halbbrücken-Topologie in einem Serienresonanzwandler erreicht, da somit hohe elektrische Effizienzen ermöglicht werden, die weiterhin das Thermalmanagement des Satelliten begünstigen.

Sowohl die plasmaphysikalischen Prozesse als auch das Engineering eines Triebwerksystems (Assembly) sind aktueller Gegenstand vieler weltraumbezogener Institutionen und Firmen weltweit. Kommerziell wird die RIT-Technologie durch das Unternehmen ArianeGroup vertreten. In Deutschland beschäftigen sich neben ArianeGroup (Lampoldshausen) vor allem die Gießener Hochschulen (Justus-Liebig-Universität Gießen und Technische Hochschule Mittelhessen) sowie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Göttingen mit dieser Technologie.

Vergleich

Bisherige Ionenantriebe besitzen gegenüber konventionellen chemischen Raketentriebwerken einen geringen Schub, bei Sondenantrieben etwa vergleichbar mit der Gewichtskraft einer Postkarte (70 Millinewton), jedoch bei einer deutlich erhöhten Austrittsgeschwindigkeit des Gases (10 bis 130 km/s, Prototypen bis 210 km/s^[1]) und einer deutlich längeren Wirkdauer. Die Gesamtmasse des Raumfahrzeugs muss dennoch so klein wie möglich gehalten werden, um für den Betrieb ausreichende Beschleunigungen und damit annehmbare Schubdauern zu erreichen. Die Sonde SMART-1 wiegt z. B. 367 Kilogramm und führte 84 kg Xenon als Stützmasse mit.

Ein Problem der Ionentriebwerke besteht in ihrem Energiebedarf (bei SMART-1 1300 W allein für das Triebwerk). Erst die neuesten Triple-Junction-GaInP2/GaAs/Ge-Solarzellen liefern eine ausreichende Leistung pro Fläche (bei SMART-1 ca. 370 Watt/m², Wirkungsgrad 27 %), um bei vertretbarer Solarpanel-Größe brauchbare Ionenantriebe zu versorgen.

Eine Verdoppelung der Austrittsgeschwindigkeit einer bestimmten Masse erfordert die vierfache Energie. Ziel bei der Konstruktion eines Ionenantriebes ist es, die benötigte Stützmasse so gering wie möglich zu halten. Dazu bedarf es nach der Raketengrundgleichung einer maximalen Ausströmgeschwindigkeit. Der Bau eines Ionenantriebes ist also immer ein Kompromiss zwischen Energie- und Stützmassenbedarf.

Der Vorteil des Ionenantriebs gegenüber dem chemischen Antrieb liegt darin, dass bei gleichem gelieferten Gesamtimpuls (d. h. erreichter Geschwindigkeitsänderung) weniger Stützmasse verbraucht wird, weil die Geschwindigkeit der austretenden Teilchen wesentlich größer ist. Der gewichtsspezifische Impuls liegt hier mit über 3000 s etwa sechsmal höher als bei chemischen Triebwerken mit 470 s.

Ionenantriebe bekannter Bauart funktionieren nur im Vakuum, überdies wäre der Luftwiderstand viel größer als der Schub.

Ionentriebwerke haben Aufnahmeleistungen im Watt- bis Kilowattbereich und Schübe unterhalb 1 N. Zum Transport größerer Massen eignen sich Ionentriebwerke daher nur, wenn sie über längere Zeit (Wochen, Monate oder Jahre) arbeiten können.

Geschichte

Das Prinzip des Ionenantriebs wurde vom Raumfahrtpionier Hermann Oberth in seinem bekanntesten Werk „Die Rakete zu den Planetenräumen“ bereits 1923 vorgestellt, in dem er erstmals das von ihm entworfene Ionentriebwerk beschreibt.

In den 1960er Jahren wurde in ersten Versuchen Cäsium oder Quecksilber als Treibstoff genutzt, wobei die metallischen Bauteile zur Ionenerzeugung jedoch rasch korrodierten. Größtes Problem war die Korrosion einer messerscharfen Schneide, an der mittels Tröpfchenionisation die notwendigen Ionen erzeugt wurden. Erst mit dem Einsatz des Edelgases Xenon als Treibstoff bekam man dieses Problem besser in den Griff. Weitere Vorteile des Xenons sind, dass es im Gegensatz zu Metallen nicht verdampft werden muss, ungiftig ist und aus einem Druckgastank leicht in das Triebwerk befördert werden kann. Besonders die Förderung des normalerweise festen Cäsiums war in der Praxis sehr schwierig. Als Nachteil gegenüber Quecksilber ist die niedrigere Atommasse zu sehen. Außerdem benötigt das Xenon gegenüber den beiden Metallen höhere Ionisationsenergien.

Beim RIT-Triebwerk (engl. {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value)) werden die Ionen mittels induktiver Einkopplung eines Hochfrequenzsignals erzeugt, während im elektrostatischen Kaufman-Triebwerk das Gas durch eine Gleichstromentladung ionisiert wird. Das HET-Triebwerk (engl. {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value)) ionisiert das Antriebsgas mit Elektronen, die auf einer Kreisbahn geführt werden. Ein Prototyp eines RIT-Triebwerks arbeitete erstmals 1992 auf dem europäischen Satelliten EURECA. SMART-1 war mit einem HET-Triebwerk ausgestattet.

Die Raumsonde Deep Space 1 ist mit dem Ionentriebwerk NSTAR ausgestattet, das auf dem Kaufman-Typ beruht. 2001 startete die ESA den Satelliten Artemis, auf dem zwei neue Ionentriebwerkstypen testweise installiert sind, die sich in der Produktionsweise der Xenon-Ionen unterscheiden. Die letzten 5000 km bis zur geplanten geostationären Umlaufbahn legte der Satellit mit Hilfe des Ionentriebwerks RIT-10 zurück, das ursprünglich nur zur Bahnkorrektur gedacht war, weil die Oberstufe seiner Ariane 5 ihn in einen Geotransfer-Orbit (GTO) mit zu niedrigem Apogäum brachte. Für diese Strecke brauchte er 18 Monate.

Inzwischen hat sich das Ionentriebwerk auf vielen kommerziellen Kommunikationssatelliten durchgesetzt. Dort dient es nicht als primärer Antrieb zum Erreichen der Umlaufbahn, sondern als Bahnregelungstriebwerk für die Nord-Süd-Drift, da der Satellit durch die Gravitationseinflüsse von Sonne und Mond im Jahr etwa 45 bis 50 m/s an Geschwindigkeitsänderung (Delta v) aufbringen muss. Der Einsatz von Ionentriebwerken zur Bahnregulierung erhöht die Betriebsdauer der Satelliten, denn es ist weniger Treibstoff erforderlich, da der spezifische Impuls höher ist als bei chemischen Triebwerken.

Heutige Ionentriebwerke sind, aufgrund der nur begrenzt zur Verfügung stehenden elektrischen Energie, für zwei Hauptanwendungen geeignet:

• Marschtriebwerk für Interplanetarsonden zu den sonnennahen Planeten Venus und Merkur, da hier bei langen Schubzeiten noch Sonnenenergie genutzt werden kann.
• Bahnregelungstriebwerke für große Satelliten in hohen Erdumlaufbahnen, da hier die Störkräfte und die sie kompensierenden erforderlichen Korrektur-Impulse sehr gering sind.

Weiterentwicklungen

• Einige Projekte zielen darauf ab, die Geschwindigkeit der Ionen zu erhöhen. Das DS4G der ESA verwendet z. B. eine Beschleunigungsspannung von 30 kV.
• Beim magnetoplasmadynamischen Antrieb und dem verwandten VASIMR versucht man dagegen, höhere Effizienz durch ein elektrisch erzeugtes Magnetfeld zu erreichen.
• Der Magnetfeldoszillationsantrieb (engl. Magnetic Field Oscillating Amplified Thruster oder MOA) verwendet Alfvén-Wellen, ein physikalisches Prinzip der Magnetohydrodynamik, wonach veränderliche Magnetfelder in elektrisch leitfähigen Medien wie Plasma Dichtewellen erzeugen können, die Teilchen im Medium auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigen können.
• Bismut wird als Stützmassenersatz für Xenon untersucht.

Siehe auch

• Thermisches Lichtbogentriebwerk (Lichtbogenantrieb)
• Liste der Raumflugkörper mit elektrischem Antrieb
• JIMO

Literatur

• Heinz Mielke: Raumflugtechnik - eine Einführung. Transpress VEB Verlag für Verkehrswesen, Berlin 1974
• Dan M. Goebel et al.: Fundamentals of electric propulsion - Ion and Hall thrusters. Wiley, Hoboken 2008, ISBN 978-0-470-42927-3.

Weblinks

Commons: Ionenantrieb – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Ionenantrieb – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Elektrische Antriebe in der Raumfahrt
• ESA: Ionen treiben SMART-1 zum Mond
• ESA: Ionentriebwerke
• Plasma Propulsion in Space (englisch, PDF, 416 KiB)
• Test des Ionenantriebes von Deep Space 1 (englisch, Video; MOV; 4,4 MB)
• Technology Review: Mit Ionenkraft zu den Sternen

Einzelnachweise