Das Ionentriebwerk – Erklärung und Berechnung

Um die Jahrtausendwende startete die NASA die Raumsonde "Deep Space 1" mit einem neuartigen Antrieb. Dieser ist laut NASA zehn mal ergiebiger als herkömmlicher Treibstoff.

"Deep Space 1" ist ein Pilotprojekt im besonderen Sinne: Nicht nur der Antrieb ist neu, auch verfügt die Sonde über ein Dutzend neuer Technologien. Das Ionentriebwerk kommt als Hauptantriebsquelle zum Einsatz. Als Treibstoff dient Xenon, ein schweres Edelgas. Dieses Gas wird durch Beschuss mit Elektronen zunächst ionisiert, sodann in einem elektrischen Feld beschleunigt und durch eine "Düse" mit sehr hoher Geschwindigkeit ausgestoßen; der Ionenstrahl sorgt dann für den Antrieb des Raumfahrzeugs. Bei der Auslegung des Gesamtgewichtes kommt das Raumschiff mit einem kleineren Treibstofftank aus (weniger Verbrauch), was ein nicht zu unterschätzender Effekt ist. Da der Schub eines Ionentriebwerks nur sehr gering ist, und die Sonde dennoch auf hohe Geschwindigkeit zu bringen ist, bleibt der Motor während der Beschleunigungsphase über lange Zeit in Betrieb. Dabei wird die Stromversorgung des Triebwerks über zwei großflächige Sonnensegel mit neuartigen Solarzellen gewährleistet. 

   

Funktion: Der gasförmige Treibstoff Xenon strömt in kontrollierter Menge in die Ionisierungskammer. Das Gas wird dabei durch spezielle Flussisolation von den Feldern des stark geladenen Beschleunigungsapparates abgeschirmt. Ein heiße Kathode in der Mitte der Kammer emittiert Elektronen, die von der die Kathode umgebenden Anode angezogen werden. Ein axiales Magnetfeld lässt die Elektronen auf indirekten Bahnen zur Anode kreisen, um die Chance zu vergrößern, dass möglichst alle Elektron Xenon-Atome treffen und Ionisieren. Ionisierung tritt dann auf, wenn ein energiereiches Elektron (>40 eV) ein Xenon-Atom trifft und diesem ein Elektron entreißt, es entsteht Xe+. Im weiteren Verlauf ist die Kammer also mit Plasma gefüllt. Durch eine hohe angelegte Spannung zwischen zwei feinen Gitternetzen werden Teilchen aus dem Plasma abgesaugt, und durch das starke elektrische Feld zwischen den beiden Gitternetzen stark beschleunigt, so dass sie durch die Löcher des zweiten Gitters mit hoher Geschwindigkeit aus dem Triebwerk herausfliegen. Dieser Rückstoß verleiht der Sonde den Schub. Eine Elektronenkanone schießt Elektronen in gleicher Anzahl wie Xenonionen in den Plasmastrahl. Dadurch wird verhindert, dass sich die Sonde negativ auflädt, und die folgenden Xenionionen die Sonde nicht mehr verlassen könnten. Bilder oben: NASA.

Technische Daten:

Treibstoff:    Xenon                                       mXe = 81,5kg
                     Atomgewicht:                         m
A  = 2,18× 10
-25 kg
Beschleunigungsspannung:                      U     = 2330 V
Masse der Sonde ohne Treibstoff:             m
S     = 490 kg
Brenndauer:                                                  20m = 51,84.10
6 sec
 

Die Austrittsgeschwindigkeit der Ionen ergibt sich  durch Gleichsetzung von elektrischer Beschleunigungsarbeit und Kinetischer Energie:


 Obwohl dieser Schub nur dem Gewicht eines Blattes Papier entspricht, lassen sich durch die lange Brenndauer des Triebwerks enorme Geschwindigkeiten erzielen:

 

Dies ist eine enorme Geschwindigkeit von etwa 32400 km/h. Auch wenn hier einige Quellen im Internet nur knapp den halben Wert angeben, so ist das immer noch ein Bereich, der mit herkömmlichem Treibstoff nicht zu erreichen wäre! Das zeigt auch der pro Masse erzielte Impuls, der 10 mal höher ist als bei üblichen Treibstoffen:

 

Betrachten wir nun noch eine Möglichkeit zur Verbesserung des Ionen­triebwerks. Es ist nämlich möglich, bei unveränderter Leistung (bei DS1 waren das 2100 Watt für das Treibwerk) die Spannung zu verdoppeln (was natürlich zum halben Strom führt):


Mit solchen Antrieben ist ein deutlicher Sprung nach vorne gelungen, vorerst aber nur in Sonnennähe nutzbar. Eine Alternative für die Stromversorgung wären Atombatterien oder Kernreaktoren. Die Flugzeiten im Sonnensystem ließen sich drastisch verkürzen, eventuell wäre (bei weit fortgeschrittener Technik) auch eine Jahrhunderte dauernde Mission zu einem benachbarten Stern denkbar.

Bemannte Missionen zu anderen Sternen sind aber auch damit völlig unmöglich. Ob es dafür überhaupt eine Möglichkeit geben könnte, wird im folgenden Teil über die relativistische Rakete behandelt.

 


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