Ionenantrieb

Prinzip des Ionenantriebs

Ionenantrieb ist eine Antriebsart für Weltraumfahrzeuge. Er arbeitet mit niedrigem Schub und somit geringer Beschleunigung. Im Unterschied zu anderen Antriebsarten wird der „Treibstoff“ hier nicht verbrannt. Ionentriebwerke erzeugen zwar einen für den Raketenstart direkt von der Erde zu geringen Schub, sind aber im Weltraum für den Dauerbetrieb um so besser geeignet. Die erste Raumsonde mit Ionenantrieb war die 1998 gestartete Deep Space 1,

Übrigens: Die PlusPedia ist NICHT die Wikipedia.
Wir sind ein gemeinnütziger Verein, PlusPedia ist werbefrei. Wir freuen uns daher über eine kleine Spende!

1 Raketengrundgleichung

Zentral für die Beurteilung eines Raketenantriebs sind die Gasaustritts-Geschwindigkeit aus der Düse (v_gasaustritt), das Startgewicht (m_0), das Endgewicht ohne Treibstoff (m_end) und die Endgeschwindigkeit (v_end), wenn der Treibstoff verbraucht ist. Der Zusammenhang dieser Größen ergibt sich aus der sogenannten Raketengrundgleichung:

v_end = v_gasaustritt * ln (m_o/m_end)

Aus dieser Formel ergibt sich, dass die erreichbare Endgeschwindigkeit proportional zur Geschwindigkeit des Gasaustritts ist.

Für ein Raumfahrzeug mit Ionenantrieb ergibt sich zum Beispiel:

v_end = 24500 m/s * ln ( 486,3 kg/404 kg) = 4543 m/s

Die Ausgangswerte sind v_gasaustritt = 24500 m/s
m_0 = 486,3 kg (Startgewicht mit 82,3 kg Treibstoff und 404 kg Konstruktionsmaterial)
m_end = 404 kg Konstruktionsmaterial
v_end = 4543 m/s Endgeschwindigkeit nach Verbrauch des Treibstoffvorrates.

Im Vergleich dazu erreicht die erste Stufe einer Saturn V bei Brennschluss 2300 m/s in einer Höhe von 61 km über der Erde.

2 Wirkungsweise Ionenantrieb

Im Vergleich zu einem - herkömmlichen - Verbrennungsantrieb ist die Geschwindigkeit des Gasaustritts bei einem Ionenantrieb ziemlich groß. Die Antriebsenergie wird hauptsächlich über die Geschwindigkeit und den Masseausstoß erreicht und weniger durch die Ausdehnung des Gases oder die Verbrennungstemperatur. Die Leistungsausbeute ist sechs- bis zehnmal größer. Allerdings wird eine verhältnismäßig hohe Beladung für die Erzeugung der elektrischen Energie mitgeschleppt, welche zur Ionisierung der Atome mittels Beschuß durch energiereiche Elektronen benötigt wird. Unter Ionisierung oder Ionisation versteht man die Herauslösung von Elektronen aus einem Atom. Im Falle dieses Ionenantriebs geschieht dies durch den Beschuss mittels Elektronen. Werden auf diese Weise Elektronen abgetrennt, bleibt ein positiv geladenes Ion zurück, welches man in einem elektrischen Feld beschleunigen kann. Die beschleunigten Ionen müssen wieder neutralisiert werden, da sie andernfalls zum Raumschiff zurück strömen und dieses abbremsen würden.

Als Treibstoffe können theoretisch Xenon, Quecksilber, Krypton, Cäsium oder Rubidium dienen. Meistens wird Xenon oder Krypton verwendet, da sich diese Edelgase - im Gegensatz etwa zu Quecksilber verdichten lassen und somit weniger Platz beanspruchen. Cäsium und Rubidium ergaben Probleme bei den ersten Versuchen. Für den Vorgang der Ionisation wird vergleichsweise viel elektrische Energie verwendet, die man durch Solar-Module auf meterlangen Sonnenpaddeln gewinnen kann. Die Ionen werden dann mit der vergleichsweise hohen Geschwindigkeit von 30 bis 200 km/s aus der Düse ins Weltall ausgestoßen.

3 Weitere Entwicklung

Die bisher eingesetzten Ionenantriebe besitzen wenig Schubkraft. Aus diesem Grunde wurde ein neuer Typus von Ionenantrieb entwickelt, bei dem aus den produzierten Ionen mit Hilfe eines Hochfrequenzgenerators ein extrem heißes Plasma erzeugt wird, dessen Leistungsausbeute größer ist. In naher Zukunft soll so eine Leistung von 200 kW realisiert werden. Da momentan "nur" Solarenergie Verwendung findet, bleibt die verfügbare elektrische Energie begrenzt - hier wird daran geforscht, die Solar-Module durch einen Kernreaktor zu ersetzen.