Ionenantrieb

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Prinzip des Ionenantriebs

Ionenantrieb ist eine Antriebsart für Weltraumfahrzeuge. Er arbeitet mit niedrigem Schub und somit geringer Beschleunigung.

Raketengrundgleichung

Zentral für die Beurteilung eines Raketenantriebs sind die Gasaustritts-Geschwindigkeit aus der Düse (v_gasaustritt), das Startgewicht (m_0), das Endgewicht ohne Treibstoff 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)

Beispiel für ein Raumfahrzeug mit Ionenantrieb

v_end = 24500 m/s * ln ( 486.3 kg/404 kg) = 4543 m/s
Mit:
v_gasaustritt = 24500 m/s
m_0 = 486.3 kg (Startgewicht mit 81.5 kg Xenon-Gas als Treibstoff und 404 kg Konstruktionsmaterial)
m_end = 404 kg Konstruktionsmaterial
v_end = 4543 m/s Endgeschwindigkeit im Space nach Verbrauch des Treibstoffvorrates.

Aus dieser Formel ergibt sich, dass die erreichbare Endgeschwindigkeit v_end groß ist, wenn die Geschwindigkeit des Gasaustritts (v_gasaustritt] aus der Düse besonders groß und das übrigbleibende Gewicht (m_end) ohne Treibstoff, klein ist.

Wirkungsweise Ionenantrieb

Im Vergleich zu einem - herkömmlichen - chemischen Raketenantrieb ist die Geschwindigkeit des Gasaustritts bei einem Ionenantrieb ziemlich groß, so dass die Leistungsausbeute ungefähr zehnmal größer ist als bei einem Feststoff- oder Flüssigkeits-Triebwerk - allerdings wird eine 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.
Als Treibstoffe können Xenon, Quecksilber, Krypton, Cäsium oder Rubidium dienen. Meistens wird Xenon-Gas als Treibstoff verwendet. Dessen Atome werden durch energiereiche Elektronen in positiv geladene Ionen umgewandelt, die in einem elektrischen Feld beschleunigt werden. Für den Vorgang der Ionisation wird vergleichsweise viel elektrische Energie verwendet, die man momentan durch Solar-Module auf meterlangen Sonnenpaddel gewinnt. Die Ionen werden dann mit der vergleichsweise hohen Geschwindigkeit von 30 - 200 km/s aus der Düse ins Weltall ausgestoßen. Die Energie, welche zur Ionisierung benötigt wird, kommt von Solarzellen oder von einem Kernreaktor.

Ausblick

Der zuvor geschilderte Ionenantrieb besitzt wenig Schubkraft - aus diesem Grunde wird 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.

Weblinks

• Zukunftstechnologie Ionenantrieb

Vergleich zu Wikipedia

• Ionenantrieb bei Wikipedia (Wikipedia-Version)

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