Plasmaantriebe sind für Astronomen und Raumfahrtbehörden von großem Interesse. Als hochmoderne Technologie, die gegenüber herkömmlichen chemischen Raketen eine beträchtliche Treibstoffeffizienz bietet, wird sie derzeit in allen Bereichen von Raumfahrzeugen und Satelliten bis hin zu Erkundungsmissionen eingesetzt. Und mit Blick auf die Zukunft wird auch fließendes Plasma für fortschrittlichere Antriebskonzepte sowie die magnetisch begrenzte Fusion untersucht.
Ein häufiges Problem beim Plasmaantrieb ist jedoch die Tatsache, dass er auf einem sogenannten „Neutralisator“ beruht. Dieses Instrument, das es dem Raumfahrzeug ermöglicht, ladungsneutral zu bleiben, ist ein zusätzlicher Stromverbrauch. Zum Glück hat ein Forscherteam der University of York und cole Polytechnique untersuchen ein Plasma-Triebwerk-Design, das einen Neutralisator vollständig überflüssig machen würde.
Eine Studie mit detaillierten Angaben zu ihren Forschungsergebnissen – mit dem Titel „ Transiente Ausbreitungsdynamik fließender Plasmen, die durch hochfrequente elektrische Felder beschleunigt werden ” – wurde Anfang dieses Monats in . veröffentlichtPhysik der Plasmen –eine Zeitschrift des American Institute of Physics. Unter der Leitung von Dr. James Dendrick, einem Physiker der York Plasma Institut an der University of York präsentieren sie ein Konzept für ein selbstregulierendes Plasma-Triebwerk.
Ein 6-kW-Hall-Triebwerk im Einsatz im Jet Propulsion Laboratory der NASA. Bildnachweis: NASA/JPL
Grundsätzlich sind Plasmaantriebssysteme auf elektrische Energie angewiesen, um Treibgas zu ionisieren und in Plasma (d. h. negativ geladene Elektronen und positiv geladene Ionen) umzuwandeln. Diese Ionen und Elektronen werden dann durch Triebwerksdüsen beschleunigt, um Schub zu erzeugen und ein Raumfahrzeug anzutreiben. Beispiele sind die Gridded-Ion- und Hall-Effekt-Triebwerke, die beide etablierte Antriebstechnologien sind.
Das Gridden-Ion-Triebwerk wurde erstmals in den 1960er und 70er Jahren im Rahmen der Weltraum-Elektroraketentest (SERT)-Programm. Seitdem wird es von der NASA verwendet DämmerungMission , das derzeit Ceres im Asteroiden-Hauptgürtel erforscht. Und in Zukunft planen die ESA und die JAXA, Gitterstrahlruder zu verwenden, um ihre BepiColombo Mission zum Merkur.
In ähnlicher Weise wurden Hall-Effekt-Triebwerke seit den 1960er Jahren sowohl von der NASA als auch von den sowjetischen Raumfahrtprogrammen untersucht. Sie wurden erstmals im Rahmen der ESA eingesetzt Kleine Missionen für fortgeschrittene Technologieforschung-1 (SMART-1)-Mission. Diese Mission, die 2003 gestartet wurde und drei Jahre später auf die Mondoberfläche stürzte, war die erste ESA-Mission, die zum Mond flog.
Wie bereits erwähnt, benötigen Raumfahrzeuge, die diese Triebwerke verwenden, alle einen Neutralisator, um sicherzustellen, dass sie „ladungsneutral“ bleiben. Dies ist notwendig, da konventionelle Plasmatriebwerke mehr positiv geladene Teilchen erzeugen als negativ geladene. Als solche injizieren Neutralisatoren Elektronen (die eine negative Ladung tragen), um das Gleichgewicht zwischen positiven und negativen Ionen aufrechtzuerhalten.
Künstlerische Illustration der NASA-Raumsonde Dawn mit ihrem Ionenantriebssystem, die sich Ceres nähert. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech.
Wie Sie vielleicht vermuten, werden diese Elektronen von den elektrischen Energiesystemen des Raumfahrzeugs erzeugt, was bedeutet, dass der Neutralisator eine zusätzliche Stromaufnahme darstellt. Das Hinzufügen dieser Komponente bedeutet auch, dass das Antriebssystem selbst größer und schwerer werden muss. Um dies anzugehen, schlug das Team von York/École Polytechnique ein Design für ein Plasma-Triebwerk vor, das selbst ladungsneutral bleiben kann.
Dieses als Neptun-Motor bekannte Konzept wurde erstmals 2014 von Dmytro Rafalskyi und Ane Aanesland, zwei Forschern der École Polytechnique demonstriert Labor für Plasmaphysik (LPP) und Co-Autoren des aktuellen Papiers. Wie sie demonstrierten, baut das Konzept auf der Technologie auf, die zur Herstellung von Gitterionen-Triebwerken verwendet wird, schafft es jedoch, Abgase zu erzeugen, die vergleichbare Mengen an positiv und negativ geladenen Ionen enthalten.
Wie sie im Laufe ihres Studiums erklären:
„Sein Design basiert auf dem Prinzip der Plasmabeschleunigung, wobei die gleichzeitige Extraktion von Ionen und Elektronen durch Anlegen eines oszillierenden elektrischen Felds an die gerasterte Beschleunigungsoptik erreicht wird. Bei herkömmlichen gitterförmigen Ionen-Triebwerken werden Ionen unter Verwendung einer bestimmten Spannungsquelle beschleunigt, um ein elektrisches Gleichstromfeld (DC) zwischen den Extraktionsgittern anzulegen. In dieser Arbeit wird aufgrund des Unterschieds in der Fläche der gespeisten und geerdeten Oberflächen in Kontakt mit dem Plasma eine DC-Selbstvorspannung gebildet, wenn Hochfrequenzleistung (HF) an die Extraktionsgitter gekoppelt wird.“
Das von der SMART-1-Mission verwendete Hall-Effekt-Triebwerk, das auf Xenon als Reaktionsmasse beruhte. Urheberrecht: ESA
Kurz gesagt, das Triebwerk erzeugt durch die Anwendung von Funkwellen effektiv ladungsneutrale Abgase. Dies hat den gleichen Effekt, dass dem Schub ein elektrisches Feld hinzugefügt wird, und macht einen Neutralisator effektiv überflüssig. Wie ihre Studie ergab, ist das Neptun-Triebwerk auch in der Lage, einen Schub zu erzeugen, der mit einem herkömmlichen Ionen-Triebwerk vergleichbar ist.
Um die Technologie noch weiter voranzutreiben, haben sie sich mit James Dedrick und Andrew Gibson vom York Plasma Institute zusammengetan, um zu untersuchen, wie das Triebwerk unter verschiedenen Bedingungen funktionieren würde. Mit Dedrick und Gibson an Bord begannen sie zu untersuchen, wie der Plasmastrahl mit dem Weltraum interagieren könnte und ob dies seine ausgeglichene Ladung beeinflussen würde.
Sie fanden heraus, dass der Abgasstrahl des Triebwerks eine große Rolle dabei spielte, den Strahl neutral zu halten, wo die Ausbreitung von Elektronen nach ihrer Einführung in die Extraktionsgitter die Raumladung im Plasmastrahl kompensiert. Als sie Zustand in ihrem Studium :
„[P]hase-aufgelöste optische Emissionsspektroskopie wurde in Kombination mit elektrischen Messungen (Ionen- und Elektronenenergieverteilungsfunktionen, Ionen- und Elektronenströme und Strahlpotential) angewendet, um die transiente Ausbreitung energiereicher Elektronen in einem fließenden Plasma zu untersuchen, das von einem HF-Plasma-Triebwerk mit Eigenvorspannung. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Ausbreitung von Elektronen während des Intervalls des Hüllenkollapses an den Extraktionsgittern dazu dient, die Raumladung im Plasmastrahl zu kompensieren.“
Natürlich betonen sie auch, dass weitere Tests erforderlich sind, bevor ein Neptun-Triebwerk jemals verwendet werden kann. Die Ergebnisse sind jedoch ermutigend, da sie die Möglichkeit von leichteren und kleineren Ionentriebwerken bieten, die noch kompaktere und energieeffizientere Raumfahrzeuge ermöglichen würden. Für Raumfahrtagenturen, die das Sonnensystem (und darüber hinaus) mit kleinem Budget erkunden möchten, ist eine solche Technologie nur wünschenswert!
Weiterlesen: Physik von Plasmen , AIP
