Ionenantrieb treibt Raumfahrzeug an

Seit der Erfindung der Raketen haben die Menschen Treibstoff wie Kerosin verwendet, um Flugzeuge und Raketen hoch über die Wolken zu befördern. Mit dem technologischen Fortschritt haben Wissenschaftler nun gelernt, wie man Raumfahrzeuge mit Atomen antreibt.

Raketenantrieb vs. Ionenantrieb

Es braucht viel Treibstoff, um eine Rakete ins All zu befördern. Nach dem Start brennt der erste Teil einer Rakete etwa drei Minuten lang. Dann brennt die zweite Phase der Rakete. Die gesamte Brenndauer beträgt weniger als zehn Minuten. Zwei Dinge passieren, wenn die Rakete keinen Treibstoff mehr hat. Erstens kann sich das Raumschiff während einer Kursänderung selbst antreiben. Zweitens kann das Raumschiff nur wenige Tage reisen.

Hall-Triebwerke wurden in den 1960er Jahren sowohl von den Russen als auch von den Amerikanern entwickelt. Das erste im Weltraum operierende Hall-Triebwerk, ein SPT-50 an Bord eines sowjetischen Meteoriten-Raumfahrzeugs, wurde im Dezember 1971 gestartet. Sie wurden hauptsächlich zur Satellitenstabilisierung in Nord-Süd- und Ost-West-Richtungen eingesetzt. Im Jahr 1992 besuchten amerikanische Wissenschaftler die Russen und lernten etwas über große Hall-Triebwerke. Die Europäische Weltraumorganisation setzte im Jahr 2003 Hall-Triebwerke für die Mondumlaufbahn von Smart-1 ein.

Im Weltraum kann eine chemische Rakete mit 5 km/s Gase ausstoßen. Ionenmotoren können jedoch Atome mit einer Geschwindigkeit von 90 km/s ausstoßen. Diese hohe Geschwindigkeit ermöglicht dem Raumfahrzeug eine viel effizientere Beschleunigung. Chemische Raketen haben eine Treibstoffeffizienz von 35 %. Ionenraketen hingegen haben eine Effizienz von rund 90 %. Anstatt heiße Gase auszustoßen, stoßen Ionentriebwerke Ionen aus, die Atome sind, die eine elektrische Ladung verloren haben. Wie haben sie eine elektrische Ladung verloren? Sie haben ein Elektron verloren oder gewonnen. Im Falle eines Ionenmotors emittieren sie positiv geladene Ionen, die ein Elektron verloren haben. Des Weiteren können Ionen mit einem elektromagnetischen Feld gesteuert werden. Dieses Magnetfeld kann sie mit unglaublich hohen Geschwindigkeiten in den Weltraum beschleunigen.

Ionenantrieb

Ein Ionenantrieb verwendet Treibmittel. Ein Treibmittel ist ein Gas wie Xenon. Wissenschaftler verwenden Xenon, weil es den gewünschten Schub erzeugt, wenn die Ionen beschleunigt werden. Des Weiteren weist es eine hohe Speicherdichte auf. Daher ist es einfach, es auf einem Raumschiff zu verstauen.

Die meisten Triebwerke ionisieren Treibmittel durch Elektronenbeschuss: Ein energiereiches Elektron (negative Ladung) kollidiert mit einem Treibmittelatom (neutrale Ladung). Folglich setzen die Atome Elektronen aus dem Treibstoffatom frei und führen zu einem positiv geladenen Ion. Das erzeugte Gas besteht aus positiven Ionen und negativen Elektronen.

Die positiv geladenen Ionen werden als Ionenstrahl, der Schub erzeugt, aus dem Triebwerk heraus beschleunigt. Der Neutralisator stößt die gleiche Menge an Elektronen aus, um die Gesamtladung des Abgasstrahls neutral zu halten. Ohne einen Neutralisator würde das Raumschiff eine negative Ladung aufbauen. Schließlich würden Ionen zum Raumfahrzeug zurückgezogen, was den Schub verringern und eine Erosion des Raumfahrzeugs verursachen würde. (NASA 2019)

Bildnachweis: Studzine

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Vorteile des Antriebs

Das Raumschiff trägt Solarmodule, wodurch die Notwendigkeit einer Batterie verringert wird. Der Vorteil dieser Art von Antrieb besteht darin, dass sie Tage, Wochen und Monate lang funktionieren. In 1998 verwendete die NASA diese Art von Triebwerk Antrieb einen Weltraumstart. Mit dem Ionenantrieb konnten sie Asteroiden, Kometen und den Mars genau beobachten. Auf der Erde wurden Ionenantriebe eingesetzt und funktionierten bis zu fünf Jahre lang ununterbrochen.

Mit zunehmender Technologie wird die Verwendung von Ionenantrieben zur Energiequelle für Raumfahrzeuge. Eines Tages werden sie möglicherweise zur Energiequelle für Maschinen auf der ganzen Welt.