Ein Hall-Effekt-Triebwerk könnte den LOP-G ausrüsten
– Nachrichten vom 3. März 2019 –
Das X3-Ionenstrahlruder ist ein sehr interessantes Projekt aus dem Next Leap-Programm der NASA. Das Ziel dieses Programms ist es, einige der Technologien zu entwickeln, die das Sonnensystem weiter erforschen. X3 ist ein Hall-Effekt-Triebwerk. Dies bedeutet, dass elektrische und magnetische Felder verwendet werden, um ein neutrales Gas, Xenon, zu ionisieren und zu beschleunigen.
Hall-Effekt-Triebwerke werden seit Jahrzehnten für Weltraumanwendungen eingesetzt. Was den X3-Ionenantrieb auszeichnet, ist seine hohe Leistung und seine große Modularität. Das von der NASA und der US Air Force entwickelte Triebwerk besteht aus drei konzentrischen Beschleunigungskanälen.
Das Ionenstrahlruder X3 kann mit einer elektrischen Leistung von bis zu 200 Kilowatt betrieben werden. Dies ist genug Energie, um ein kleines Dorf auf der Erde anzutreiben. Dies ermöglichte es ihm, Push-Rekorde für ein Hall-Effekt-Triebwerk zu setzen: 5,4 Newton bei einem Testlauf im Jahr 2018. Das ist ungefähr die Stärke, die man spürt, wenn man einen Teller Butter in der Hand hält, was sehr wenig ist. Hall-Effekt-Triebwerke sind so ausgelegt, dass sie über Wochen und sogar Monate kontinuierlich laufen, genug, um echte Beschleunigung zu bieten. Diese relativ hohe Leistung macht es möglich, sich viele Anwendungen für das X3-Ionenstrahlruder vorzustellen.
Die NASA möchte ihre Mond-Raumstation LOP-G mit einem elektrischen Antriebsmodul ausstatten. Um den LOP-G effektiv im Orbit zu halten, ist ein Motor mit hoher Leistung erforderlich, vielleicht sogar mehrere. Der Auftrag für den Bau dieses ersten Moduls des LOP-G sollte im Frühjahr 2019 vergeben werden. Vielleicht werden wir zu dieser Zeit von dem X3-Ionenstrahlruder erfahren.
Ein X3-Cluster mit 800 Kilowatt sollte auch eine bewohnte Mission zum Mars vorantreiben können. Das meint das Projektentwicklungsteam. Es ist jedoch schwierig, eine solche Leistung einem Raumfahrzeug zur Verfügung zu stellen. Dies erfordert entweder die Installation riesiger Sonnenkollektoren oder den Einsatz von Kernenergie.
Der enorme Einfluss des Ionentriebwerks auf die Weltraumforschung
In einem Ionenmotor wird Xenon zuerst mit Elektronen beschossen, um ein ionisiertes Plasma zu bilden. Sie wird dann durch Netze beschleunigt, die ein großes elektrisches Potential aufweisen. Das Ergebnis ist beeindruckend, der ionisierte Strahl bildet einen bläulichen Halo, der an Science-Fiction-Filme erinnert. Der erzeugte Schub ist immer noch winzig, etwa 90 Millinewton. Das ist fast so, als würde ein Blatt Papier auf die Hand gedrückt.
1998 brachte die NASA die Weltraumsonde Deep Space 1 auf den Markt, die erste Erkundungssonde mit Ionenantriebssystem. Deep Space 1 hat bewiesen, dass eine Weltraumsonde mit Sonnenkollektoren und einigen Dutzend Kilogramm Xenon eine Mission weit über das Earth-Moon-System hinaus ausführen kann. Der ionische Antrieb hat sein volles Potenzial für kostengünstige Weltraummissionen gezeigt, die nur eine begrenzte Menge Treibmittel transportieren können. Die NASA entscheidet sich schnell für diesen ersten Erfolg.
Diese innovative Antriebstechnologie ermöglicht es, neue Ziele zu berücksichtigen. Der ionische Antrieb ermöglicht es, bestimmte Ziele zu erreichen, indem er zehnmal weniger Treibmittel verbraucht als mit einem chemischen Motor, der geduldig ist. Die Beschleunigungen sind in der Tat winzig, Sie müssen also mehrere Monate oder Jahre einen Ionen-Motor betreiben, um eine signifikante Beschleunigung zu erzeugen. Ein Ionen-Triebwerk benötigt auch eine Stromversorgung, und nur Sonnenkollektoren können die Kraft dafür liefern, dass sie funktionieren, was die Möglichkeiten ein wenig begrenzt, da die Sonnenkollektoren über die Umlaufbahn des Planeten Mars hinaus nahezu unbrauchbar werden.
Die Ionen-Engine der University of Michigan bricht Leistungsrekorde
– Nachrichten vom 13. März 2018 –
Ionenmotoren versprechen eine glänzende Zukunft für die Weltraumforschung. Ihre größte Stärke ist ihr niedriger Treibstoffverbrauch, und ihre größte Schwäche ist ihr Mangel an Energie. Die Entwicklung eines Hochleistungselektromotors wäre daher ein technologischer Durchbruch, der einen großen Vorteil für die Erforschung des Sonnensystems und vielleicht sogar für seine Kolonisierung bieten würde. Ein Team der University of Michigan arbeitet mit der NASA zusammen, um ein Hall-Effekt-Triebwerk namens X3 zu entwickeln und zu testen. Dieses Triebwerk brach alle Rekorde von Kraft und Schub. Es konnte mit einer Leistung von 102 Kilowatt für einen Schub von 5,4 Newton betrieben werden. Es übertrifft den Push-Rekord eines Hall-Effekt-Thrusters um mehr als 60%.
Ionischer Antrieb ist eine der Möglichkeiten, die die NASA für eine Mars-Reise erforscht. Der X3 ist derzeit in der Lage, bis zu hundert Kilowatt zu betreiben. Mit einem System, das mit 500 Kilowatt oder sogar 1 Megawatt betrieben wird, würde dieser Motortyp leistungsfähig genug sein, um bewohnte Missionen jenseits der Mondumlaufbahn zu versorgen. Um mehr Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Hall-Effekt-Triebwerken zu erzielen, hat die Universität von Michigan eine Reihe von Ringen entwickelt, um das Plasma zu kanalisieren. Das Triebwerk ist ziemlich imposant: fast einen Meter Durchmesser. Wir stellen uns vor, dass, wenn wir die Kraft mit zehn multiplizieren wollen, das Triebwerk riesig sein muss. Damit sich der X3 wirklich bewähren kann, muss er lange Zeit einen Testbetrieb bei voller Leistung durchführen. Ionischer Antrieb ist in der Tat nur interessant, wenn geringe Leistung durch sehr lange Zeit kompensiert wird. Der X3 wird daher nächstes Jahr einem Test von 100 Stunden unterzogen.
Der nächste Schritt wird sein, den X3 in ein Design der Firma Aerojet Rocketdyne zu integrieren. Dieses Unternehmen wird für die Konstruktion eines Stromversorgungssystems und eines Xenon-Versorgungssystems für den Motor verantwortlich sein. In seinem endgültigen Design sollte der X3 in der Lage sein, bis zu 200 Kilowatt zu betreiben und mit Solarzellen betrieben zu werden. Dies ist die Hauptschwierigkeit: Die 2500 Quadratmeter großen Solarmodule der Internationalen Raumstation (ISS) produzieren unter besten Bedingungen nur 120 Kilowatt Strom. Die benötigte Solarpaneloberfläche wäre für ein Raumfahrzeug, dessen Antriebssystem allein 200 Kilowatt benötigt, und zu dem die elektrischen Bedürfnisse der Mission selbst hinzugefügt werden sollten, riesig.
Bild von der NASA (Public Domain), über Wikimedia Commons
Quellen
