Das Antriebsvermögen chemischer Triebwerke ist durch den Gehalt an chemischer Energie begrenzt, die bei der Verbrennung frei wird. Die maximale Ausströmgeschwindigkeit der Gase liegt daher bei etwa 4 bis 5 km/s. Diese Beschränkung kann überwunden werden, wenn dem Treibstoff Energie von außen zugeführt wird, beispielsweise elektrisch. Die Energiequelle ist dabei also anders als bei chemischen Antrieben vom Treibstoff getrennt.
Ionentriebwerk (SMART 1). Xenon-Gas wird mit Elektronen beschossen und dadurch ionisiert (elektrisch geladen). In einem Magnetfeld werden die Xenon-Ionen beschleunigt (Hall-Effekt) und ausgestoßen. Der blaue Strahl entsteht durch Elektronen, die in Richtung der Ionen gesendet werden und diese hinter dem Antrieb elektrisch neutralisieren. SMART 1 ist die erste Small Mission for Advanced Research in Technology der Esa und wird u. a. Wassereis auf dem Mond suchen. Grafik: AOES Medialab, ESA 2002.
Bei elektrischen Antrieben von Raumfahrzeugen wird genau wie bei chemischen Antrieben Gas ausgestoßen, um so den Rückstoß zu erzeugen. Das elektrisch oder elektromagnetisch beschleunigte Gas kann jedoch wesentlich höhere Geschwindigkeiten erreichen. Eine entsprechend höhere Endgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs kann erzielt werden. Der Schub des elektrischen Antriebs pro Kilogramm Antriebsgas kann das Zehnfache und mehr des chemischen Antriebs betragen. Der Massendurchsatz elektrischer Antriebe ist allerdings sehr klein, so dass ihr tatsächlicher Schub nicht ausreicht, um von einem Planeten zu starten. Trotzdem können im Weltraum durch einen über Wochen oder Monate anhaltenden Dauerbetrieb auch große Massen auf hohe Geschwindigkeiten gebracht werden. Daher werden elektrische Antriebe bisher als Marschtriebwerke (langzeitig geringer Schub) und zur Lageregelung von Satelliten und Raumsonden eingesetzt. Als Energiequellen können Solarzellen, Brennstoffzellen, Kernreaktoren und andere Energiewandler eingesetzt werden.
Triebswerktypen
| Die verschiedenen Typen elektrischer Antriebe unterscheiden sich unter anderem dadurch, wie der Treibstoff aufgeheizt, ionisiert und beschleunigt wird. Der Übergang zwischen einzelnen Typen ist oft fließend. | ||||
| Verfahren | Treibstoff | spez. Impuls [s] | Schub [N] | Wirkungsgrad |
| Elektrothermische Antriebe | ||||
| Aufheizung durch ohmschen Widerstand, Heizelemente (Resistojet) | leichte Gase | 300-800 | 0,5 | 0,3 |
| Aufheizung durch Lichtbogen (Arcjet) | Gase, die die Kathode des Lichtbogens nicht zerstören | 500-1000 | 0,2-5,0 | 0,3 |
| Elektrostatische Antriebe, Ionenantrieb | ||||
| Ionen werden im elektr. Feld beschleunigt. Antriebstypen unterscheiden sich durch die Methode der Ionisation. Ionenerzeugung z. B. durch Elektronenstoß oder Lichtbogen | leicht verdampfbare Metalle, Edelgase | 2000-10000 | 0,01-10 | bis 0,9 |
| Plasmaantriebe, magnetoplasmadynamische Antriebe | ||||
| Starke ohmsche Aufheizung, so dass heißes Plasma entsteht, Beschleunigung der Ionen durch elektromagnetische Kräfte. Plasmaerzeugung z. B. durch Lichtbogen. | Gase, Metalle | 1300-5000 | 4-100 | 0,2-0,5 |
Daten entnommen aus: E. Messerschmid, S. Fasoulas: Raumfahrtsysteme, Springer, 2000 | ||||
Prinzip des elektrostatischen Ionenantriebs
Elektrostatischer Ionenantrieb.
Tr: Treibstoff
V: Verdampfer
IQ: Ionenquelle
E: Energieversorgung
BG: Beschleunigungs-Gitterelektrode
N: Neutralisator
Der Treibstoff (z.B. Quecksilber, Xenon) wird durch Erhitzen verdampft. Der Dampf wird durch ein Fördersystem zum Ionisator geleitet und bildet dort die Ionenquelle. Der Treibstoff wird ionisiert durch Elektronenbeschuss, Lichtbogen oder elektromagnetische Hochfrequenz. Den Atomen werden dabei Elektronen entrissen, so dass sie elektrisch positiv geladen sind. Zwischen Ionenquelle und Beschleunigungselektrode liegen einige Kilovolt elektrischer Spannung, die die Ionen aus dem Raumfahrzeug beschleunigen. Durch diesen Vorgang würde sich die Rakete negativ aufladen und von den ausgestoßenen Ionen rückwärts angezogen werden. Daher werden den Ionen durch den Neutralisator die Elektronen wieder zugeführt.
Antriebsleistung und Schub
Die Leistung P des Antriebsstrahls ist sein Zuwachs an kinetischer Energie pro Sekunde (relativ zur Rakete betrachtet). Nach Gleichung (1) ist das die zeitliche Ableitung seiner kinetischen Energie. vI ist dabei die Geschwindigkeit der Ionen relativ zur Rakete, und die zeitliche Ableitung der Treibstoffmasse mTR ist der Treibstoffdurchsatz (pro Sekunde ausgestoßene Ionenmasse). Der ergibt sich nach (2) mit dem Ionenstrom II (Ionenladungen pro Sekunde) und der Ionenladung qI. Allgemein ist der Schub F das Produkt aus Treibstoffdurchsatz und Ausströmschwindigkeit, die in (3) gleich der Ionengeschwindigkeit ist. Aus Vergleich von (1) und (3) folgt (4) für den Zusammenhang zwischen Strahlleistung, Schub und Strahlgeschwindigkeit. Das Maximum der Strahlleistung wird durch die Energieversorgung festgelegt.
Bei gegebener Strahlleistung ist der Schub also um so kleiner, je größer die Strahlgeschwindigkeit ist.
Beim Ionenantrieb werden positive Ionen mit Ladung qI und Masse mI im elektrostatischen Feld beschleunigt. Sie durchlaufen die Beschleunigungsspannung U und gewinnen dabei die kinetische Energie WI (5) und die Geschwindigkeit vI (6). Mit (2), (3) und (6) ergibt sich der Schub F (7).
Um einen möglichst großen Schub zu erzielen sollten demnach Ionen mit möglichst großer Masse verwendet werden.
Beispiel: Schub einer Ionenrakete
Einfach ionisierte Quecksilberatome: Masse etwa 0,3×10-24 kg, Elementarladung = 1,6×10-19C, Beschleunigungsspannung U=10 000 V, Ionenstromstärke II=25 A. Nach (6) werden die Ionen auf etwa vI=100 km/s beschleunigt.
Nach (7) liefert dies einen Schub F=5 N (Newton). Bei einer Raketenmasse M von 5 Tonnen würde dies eine Beschleunigung b=F/M=1 mm/s2 ergeben. Das ist etwa ein Zehntausendstel der Erdbeschleunigung (9,81 m/s2). Da elektrische Antriebe wochen- oder monatelang arbeiten können, lassen sich trotzdem Geschwindigkeiten für interplanetare Flüge erzielen.
