Elektrische Antriebe Raumfahrt

 

 

 

 

Test eines NSTAR-Triebwerks

Elektrische Antriebe in der Raumfahrt

 

Elektrische Antriebe verwenden elektrische Energie, um ein Raumschiff anzutreiben. Dies kann durch Aufheizung oder Ionisierung des Treibstoffes (hier Stützmasse genannt) geschehen. Generell sind elektrische Antriebe schubschwach, ein Start von der Oberfläche eines Planeten ist damit unmöglich. Um möglichst hohe Leistungen zu erbringen, muss auch die Energiezufuhr möglichst groß sein. Die Energie kann durch Solarzellen oder Radioisotopengeneratoren erzeugt werden.

 

Widerstandsbeheiztes Triebwerk

Elektrische Antriebe – Bei einem widerstandsbeheizten Triebwerk wird der Treibstoff durch einen stromdurchflossenen Widerstand aufgeheizt. Dies kann zum Beispiel ein Wolframdraht sein, das Prinzip gleicht dem eines Tauchsieders.

Thermisches Lichtbogentriebwerk

Elektrische Antriebe – Zwischen einer Kathode und einer Anode wird ein thermischer Lichtbogen gebildet. Durch den Lichtbogen fließt der Treibstoff, welcher dadurch stark aufgeheizt wird (ca. 5.000 K). Das heiße Gas wird anschließend durch eine Düse expandiert. Der Schub wird nur durch den thermischen Effekt der Expansion erzeugt und nicht durch Magnetfelder (im Unterschied zum MPD).

Feldemissionstriebwerk

Elektrische Antriebe – Das Feldemissionstriebwerk verwendet zwei sehr nahe beieinander liegende Platten, zwischen denen ein flüssiges Metall (Cäsium) durch Kapillarkräfte zur Spitze fließt. Die Platten sind positiv geladen. In etwas Abstand zur Spitze befinden sich zwei weitere Platten, die negativ geladen sind. Das elektrische Feld zwischen beiden ionisiert den Treibstoff und beschleunigt ihn. Dieses Triebwerk kann sehr schubschwach und leicht sein.

Ionen-Triebwerke

Elektrische Antriebe – Die Radiofrequenz-Ionen-Triebwerke (RIT) erzeugen durch elektromagnetische Wellen ein Plasma, die positiv geladenen Teilchen werden anschließend durch Gitter nach außen beschleunigt. Nach der Passage des sogenannten Neutralisators, der dem Strahl wieder Elektronen zuführt und ihn somit elektrisch neutral macht, werden die Teilchen ausgestoßen. Als Stützmasse wird Xenon verwendet. Das HiPEP der NASA fällt in diese Kategorie, ebenso die RIT-Triebwerke aus Deutschland.(1)

Kaufmann-Triebwerk

Das Kaufmann-Triebwerk erzeugt durch einen Lichtbogen ein Plasma, die positiv geladenen Teilchen werden anschließend durch Gitter nach außen beschleunigt. Nach der Passage des sogenannten Neutralisators, der dem Strahl wieder Elektronen zuführt und ihn somit elektrisch neutral macht, werden die Teilchen ausgestoßen. Als Treibstoff wird Xenon oder Quecksilber verwendet. Das NSTAR der NASA ist ein solches Triebwerk.

Hallantrieb

Halltriebwerke (Hall-Effect-Thruster) bestehen aus einem ringförmigen Beschleunigungskanal, der durch konzentrisch gelegene Magneten von einem Magnetfeld durchzogen ist. An einem Ende befindet sich eine Hohlanode. Eine extern angebrachte Kathode fungiert als Quelle für Elektronen, welche durch den Potentialunterschied zur Anode beschleunigt, und im starken Magnetfeld gefangen werden. Zusätzlich kommt es zu einer Azimuthaldrift durch den Hall-Effekt. Durch die Hohlanode wird der neutrale Treibstoff eingespeist, und durch Stöße mit den gefangenen Elektronen ionisiert. Das zwischen den Elektroden wirkende elektrische Feld beschleunigt diese Ionen, so dass diese mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen werden können. Zur Neutralisation des Ionenstrahls fungieren Elektronen, die ebenfalls von der Kathode emittiert werden. Als mögliche Treibstoffe kommen vor allem Edelgase wie Xenon, Krypton oder Argon in Frage, ebenso aber auch metallische Treibstoffe wie Bismut, Zink oder Magnesium. Es werden zwei Arten von Hallantrieben unterschieden: SPT (Stationary Plasma Thruster) sowie TAL (Thruster with Anode Layer), die sich vor allem in Materialien und Geometrie unterscheiden. Bisher wurden vor allem SPT auf zahlreichen Satellitenmissionen eingesetzt, u.a. auch auf der ESA-Mission SMART-1.

Magnetoplasmadynamisches Triebwerk

Magnetoplasmadynamische Triebwerke (MPD) bestehen aus einer trichterförmigen Anode, in deren Mitte eine stabförmige Kathode angebracht ist. Wird Spannung zwischen beiden Elektroden angelegt, wird die sich im Trichter befindende Stützmasse ionisiert und erlaubt so einen Stromfluss radial durch das Gas zur Kathode. Durch den Stromfluss wird nun ein starkes Magnetfeld erzeugt. Die Leistung kann durch das Anlegen eines weiteren externen Magnetfeldes gesteigert werden. Die Wechselwirkung zwischen dem elektrisch erzeugten Magnetfeld um die Brennkammer und den ionisierten Plasmateilchen beschleunigt diese in axialer Richtung und lässt sie mit hoher Geschwindigkeit entweichen. Als Grundlage für das Plasma eignen sich vor allem Argon, Lithium und Wasserstoff.

Gepulstes Plasmatriebwerk

Gepulste Plasmatriebwerke (Pulsed Plasma Thruster) sind Raumfahrtantriebe, die instationär oder quasistationär (gepulst) betrieben werden können. Dazu werden Kondensatoren als Energiespeicher mitgeführt. Der Aufbau ähnelt einer Railgun. Als Treibstoff wird meist PTFE verwendet, welches in fester Form vorliegt. Die zu Schienen geformten Elektroden werden unter Spannung gesetzt, und mittels einer Zündkerze wird die Hauptentladung des Kondensators gestartet. Dabei wird von der Treibstoffoberfläche eine kleine Menge ablatiert und ionisiert. Die dabei entstehende Plasmawolke wird entweder durch elektromagnetische Lorentzkräfte, oder durch gasdynamische Kräfte beschleunigt um Schub zu erzeugen. Die von der Spannungsquelle zwischen den Pulsen bezogene elektrische Leistung ist vergleichsweise gering. Von dieser unterscheidet sich die Pulsleistung zur Einkopplung ins Plasma, welche durch sehr kurze Entladungsdauern einige Megawatt betragen kann.

PIT – Pulsed Inductive Thruster

Das Induktive Flachspulentriebwerk (Pulsed Inductive Thruster) ist ein gepulstes Triebwerk. Eine flache Ansammlung von Spulen ist mit Kondensatoren verbunden. Zuerst wird gasförmiger Treibstoff (meist Argon, auch Ammoniak) auf die Spulen geblasen. Dann werden die Kondensatoren schlagartig entladen, der Treibstoff wird zu Plasma. Das Magnetfeld der Spulen induziert ein Gegenfeld im Plasma, das dadurch fortgeschleudert wird.

VASIMR

Relativ neu ist das Antriebskonzept des früheren Astronauten Franklin Ramon Chang-Diaz. Seine Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR) verwendet elektrische Energie, um Plasma zu erzeugen, zu erhitzen und zu beschleunigen. Der Treibstoff wird zuerst mit RF-Antennen ionisiert, dann mit RF-Antennen erhitzt. Anschließend wird das Plasma durch eine magnetische Düse entspannt. Damit ist eine Variation des Verhältnisses zwischen spezifischem Impuls und Schub möglich, analog zu der Getriebeschaltung eines Radfahrzeugs.

Magnetfeldoszillationsantrieb

Der Magnetfeldoszillationsantrieb (Magnetic Field Oscillating Amplified Thruster) verwendet Alfvén-Wellen, um durch veränderliche Magnetfelder in elektrisch leitfähigen Medien (z. B. Plasma, salziges Wasser etc.) Dichtewellen hervorzurufen. Diese Wellen sind in der Lage, Teilchen im Medium mit sich mitzureißen und sie auf sehr hohe Geschwindigkeiten (bzw. hohe Energien) zu beschleunigen. Dazu besteht das gesamte MOA-System aus Plasmaquelle, Zentralrohr, Primärspule, Sekundärspule und einer Versorgungs- und Steuerungseinheit. Die Plasmaquelle erzeugt einen kontinuierlichen Strom ionisierter Teilchen, die im Zentralrohr in Richtung Austrittsdüse driften. Diese Teilchen können z. B. Stickstoff- oder Wasserstoffmoleküle, aber auch Atome der Edelgase Argon oder Xenon sein. Da sie ionisiert sind, reagieren sie auf die beiden Magnetfelder, welche durch die Primär- und die Sekundärspule aufgespannt werden. Dabei ist die Primärspule permanent in Betrieb und formt die magnetische Austrittsdüse, während die Sekundärspule zyklisch ein- und ausgeschaltet wird, um die Feldlinien im Gesamtsystem zu deformieren. Diese Verformung erzeugt die Alfvén-Wellen, welche im nächsten Schritt dem Transport und der Kompression des Antriebsmediums dienen.

HDLT

Der Helicon Double Layer Thruster wurde an der Australian National University erfunden. Der Antrieb wird mit Hilfe der ESA weiterentwickelt. Beim HDLT wird ein Gas in ein divergierendes magnetisches Feld, welches eine Düse formt, gebracht und mit RF-Antennen ionisiert. Das dadurch entstehende Plasma wird dadurch herausbeschleunigt. Als Treibstoff kommen Argon, Wasserstoff oder Krypton zum Einsatz.

Anmerkungen

(1)  Radiofrequency Ion Thruster, Model RIT-10. (Memento vom 10. März 2008 im Webarchiv archive.is)

Autorenliste Wikipedia

Copyright Fotos / Grafiken v.o.n.u.v.l.n.r.: NASA 

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