Der Mehrstufenplan für Ionentriebwerke

Es gibt immer wieder Dinge die mich überraschen. Eines ist das Beharren in eingetretenen Pfaden. Wer Bücher vor 40-50 Jahren liest, der stolpert über die exzellenten Zukunftsaussichten von Ionentriebwerken. Doch was ist daraus geworden? Nicht viel. Es ist zum Teil erklärbar. Ionentriebwerke benötigen viel Strom und in den sechziger Jahren meinte man diesen nur durch Kernreaktoren bereitstellen zu können. Doch deren Entwicklung wurde in den USA eingestellt und in den UdSSR erreicht man auch nur mäßige Leistungswerte.

Doch mittlerweile haben Solarzellen enorme Fortschritte gemacht. Die Solarpanels der ISS haben eine Leistungsdichte von 30 W/kg. Also die Solarzellen die 30 Watt Strom erzeugen, wiegen ein Kilogramm. Bei Dawn sind es schon 80 Watt/kg. Bei dem Technologie-Satelliten ST-8 sollten faltbare Solarzellen mit wesentlich leichterer Trägerstruktur mit einer Leistung von 175 W/kg erprobt werden. Nach diesem Papier soll ein Prototyp mit einer Leistung von 300 W/kg existieren. Die Stromversorgung ist der Dreh- und Angelpunkt eines Ionentriebwerks, da sie viel Strom brauchen. Ein Modell, RIT-22 von EADS, wiegt 7 kg und benötigt 5000 Watt Leistung. Selbst bei 175 Watt pro Kilogramm wiegen aber die Solarzellen die eine solche Leistung liefern 28,6 kg. Berücksichtigt man, dass man bei Missionen ins äußere Sonnensystem aufgrund der absinkenden Leistung eine noch größere Fläche braucht zeigt dies das hier noch Optimierungsbedarf besteht. Trotzdem gab es in den letzten Jahrzehnten bei Solarzellen deutlich Fortschritte, während Kernreaktoren praktisch immer noch die gleichen Leistungswerte wie vor 40 Jahren haben. Die besten kommen auf 10 Watt/kg.

Bei den Ionentriebwerken ist es so, dass die heutigen Modelle mit einem Leistungsbedarf von einigen Kilowatt sicher ausreichen für kleine unbemannte Sonden. Heute setzt Dawn 5 Triebwerke ein. Mit leistungsfähigerer Stromversorgung könnte eine Sonde mehr dieser Triebwerke einsetzen und schneller ihr Ziel erreichen, bzw. auch von einer Erdumlaufbahn aus starten. Der Vorteil vieler kleiner Triebwerke ist auch, das bei abnehmender Leistung mit zunehmender Entfernung von der Sonne, man einfach weniger Triebwerke betreiben kann und sich so besser den Verhältnissen anpassen kann. Wenn es aber deutlich über 10-20 Triebwerke geht, dann ist sicher eine Weiterentwicklung zu größeren nötig.

Im Prinzip ist die Leistung steigerbar indem man den Auslass vergrößert. EADS hat ja schon Triebwerke mit 10 – 22 cm Auslassöffnung im Angebot. Noch größerwer Durchmesser = mehr Schub. Physikalisch ist die Stromdichte pro Fläche begrenzt, das heißt vierfache Leistung erfordert den doppelten Durchmesser. Leider steigt aber das Gewicht nicht so, sondern doppelter Durchmesser bedeutet meistens achtfaches Gewicht. Weiterhin wird spätestens bei bemannten Raumfahrzeugen dann auch das Volumen ein Problem. Die Lösung ist es neue Techniken einzusetzen. Die ESA hat eine Studie gemacht, die vier Gitter in der Beschleunigungsstufe einsetzt anstatt nur zwei. Das entspricht praktisch zwei hintereinander geschalteten Beschleunigungsstufen. Die Folge ist dass ein Triebwerk mit 20 cm Durchmesser nun 250 kW Leistung verbraucht und 2,5 N Schub erzeugt. Konventionelle Triebwerke liegen dagegen bei 7 kW nur 0,2 N Schub. Die magnetoplasmadynamische Triebwerke, die so gerne als Alternative postuliert werden sind in meinen Augen keine Alternativen, da sie nicht wesentlich leichter oder leistungsfähiger als konventionelle Triebwerke sind. Schon der 50 kW Prototyp hat einen Durchmesser von 1 m.

Bei vielen Triebwerken gewinnt auch die Frage der Kühlung an Bedeutung. Typisch erreichen Triebwerke Wirkungsgrade von 60 – 75%. Bei 100 kW Eingangsleistung gibt es also noch 25 – 40 kW Abwärme die abgeführt werden muss. Bei dem Einsatz von Solarzellen wäre es sicher eine gute Lösung auf der Rückseite eines Teiles der Paneele Radiatorflächen  zu platzieren, da so Strukturmasse eingespart wird und die Fläche auf der Schattenseite sind.

Als Treibstoff wird heute Xenon verwendet. Es hat den Vorteil, dass es als Gas leicht förderbar ist. Es gibt auch Alternativen wie Cäsium und Quecksilber. Sie sind schwerer zu fördern, doch könnten sie von Bedeutung sein, wenn auch das Gewicht der Tanks, die bei Xenon etwa ein Fünftel bis ein Achtel des Inhalts betragen, eine Rolle spielt, was bei Missionen mit hohem Antriebsbedarf gegeben ist.

Wie könnte meiner Meinung nach die weitere Entwicklung aussehen? Ich konzentriere mich auf die staatlich geförderte Raumfahrt. Der Privatsektor ist ja eher noch konservativer (es gibt schon Ionentriebwerke für geostationäre Satelliten zur Lagereglung, aber eingesetzt werden sie selten). Der Plan:

allgemein: Steigerung der Leistung aller Subsystem. Ionentriebwerke mit höherer Leistung, niedrigerem Gewicht oder Volumen. Leistungsfähigere Stromkonverter mit höherer Lebensdauer (Hochspannung muss erzeugt werden), Leistungsfähigere Solarzellen mit niedrigerem Flächengewicht, geringere Tankmassen …

Erprobung in Demonstrationsmissionen:

  • Demonstrationsmission 1: LEO → GEO Transfer. Herausforderungen: Geschwindigkeitsbedarf 5 km/s. Passage des Van Allen Gürtels. Vorteile: beliebig viel Zeit steht zur Verfügung. Arbeit nur in Erdentfernung. Daraus könnte ein kommerzielles Produkt eines LEO → LEO Shuttles für Kommunikationssatelliten erwachsen.
  • Demonstrationsmission 2: LEO → Mars Transfer. Herausforderungen: Geschwindigkeitsbedarf >11 km/s. Abnehmende Leistung mit steigender Entfernung. Zeitkritisch (Startfenster). Vorteil: Nach Verlassen der Erde kann in einer Sonnenumlaufbahn geparkt werden, bis man die richtige Position zum Erreichen des Mars erreicht hat.
  • Demonstrationsmission 3: LEO → äußeres Sonnensystem. Herausforderungen: Geschwindigkeitsbedarf >13 km/s. Abnehmende Leistung mit steigender Entfernung ohne Möglichkeit Extrarunden zu drehen, wenn man die Zielgeschwindigkeit nicht rechtzeitig erreicht.
  • Demonstrationsmission 4: LEO → Marsbodenprobenrückführung. Herausforderungen: Geschwindigkeitsbedarf >14 km/s. Zwei Startzeitpunkte müssen eingehalten werden. Erheblich größere Startmasse

Trotzdem wird eine bemannte Mission nochmals zehnmal leistungsfähiger sein müssen und sie ist zeitkritischer als alle unbemannten Missionen. Doch immerhin hat man bis dahin einen Quantensprung zu dem was man heute erreicht hat (Dawn: ca. 1 t Startmasse, 11 km/s Geschwindigkeitskorrektur in rund 4 Jahren – Demonstrationsmission 4: 20 t Startmasse, 14 km/s, 14 km/s in ca. 1-1,5 Jahren.

Vor allem aber entsprechen die Demonstrationsmissionen Anforderungen die es gibt: Start von Raumsonden zum Mars, Jupiter bis Pluto, Bodenprobenrückführung vom Mars,. Aus Demonstrationsmission 1 könnte sogar ein kommerzielles Produkt werden. Als Nebeneffekt könnte die bisherige Praxis Raumsonden mit schubstarken Trägerraketen zu ihren zielen zu befördern eingestellt werden und man stattdessen sie mit ihrem eigenen Antrieb langsam zum Ziel hin spiralt. Bei Juno würde es sogar schneller gehen und Zeit sparen. Aber so ofrtschrittlich sind ESA und NASA nicht. Sie entwickeln lieber neue Schwerlastraketen…

17 thoughts on “Der Mehrstufenplan für Ionentriebwerke

  1. Bevor jemand anmerkt, das Kühlsystem bringen hoher’s Gewicht und Energie verbrauch für Kühlflüssigkeit Pumpe.
    man verwende langst leichte einfache Wärmerohrtechnologie (Heatpipe) in Raumfahrzeuge

    Wie sieht’s es mit Solarthermal Kraftwerke für Ionentriebwerk aus ?
    sie bieten Hoher Energie Output, aber arbeite man noch an dieses Systemen ?
    (sollten Ursprünglich 2 stuck für FREEDOM/ALPHA/ISS gebaut werden)

  2. @Michael:
    Eben weil solarthermische Triebwerke kaum untersucht sind habe ich sie außen vor gelassen. Der Vorteil ist ja primär der höhere Wirkungsgrad von 30%. Aber Solarzellen haben eben inzwischen auch 25% erreicht. Ob sie dann auch noch so leicht gebaut werden können, was ja das Hauptproblem ist?

    @Arne: Von Thermoelementen (RTG) ist im ganzen Artikel nicht die Rede. Hier ist die effizienteste Umsetzung derzeit ein Stirling Motor der für neue Missionen entwickelt wird. Aber vom Leistungsgewicht und vor allem den enormen Kosten für das Plutonium (1 kg kostet ca 10 Millionen Dollar) scheiden sie von vorneherein aus.

  3. Ich meinte auch nicht die kompletten RTGs, sondern nur die eigentlichen Thermoelemente daraus, die aus einer Temperaturdifferenz Strom erzeugen.
    Was RTGs angeht, ist ja vielleicht die ESA irgendwann mit ihren Plänen für Americium-basierte Technik erfolgreich (was natürlich nur die Kosten, nicht aber das Leistungsgewicht verbessern dürfte).

  4. @Arne
    Machbar ist die die Idee von Thermoelementen im Kühlsystem
    leider ist die ausbeute zu gering mit Ca 5% Wirkungsgrad

    @Bernd
    aufblasbare solarthermische Kraftwerk sind leicht
    natürlich sind diese anfällig zu Mikro Meteorit und weltraumschrott

    zur zeit behandelt NASA die Ionentriebwerk weiter Entwicklung ehr Stiefmütterlich
    Ihre Priorität liegt bei VASIMR (Variable specific impulse magnetoplasma rocket)
    einen magnetoplasmadynamische Triebwerk
    das erste Serien Model VF-200 soll 2014 die ISS anschieben…

  5. VASMIR ist auch ein Ionentriebwerk. Nur eben keines des üblichen elektrostatischen Prinzips. Alles was ich bisher gelesen habe spricht dagegen. Es ist schwerer, der wirkungsgrad ist geringer und es ist größer. ach ja und erprobt ist es auch noch nicht.

  6. So, nachdem mein erster Beitrag verloren gegangen ist hier nochmal.

    Zur Hochspannungserzeugung könnte die Röhrentechnik wieder interessant werden. Es gab schon bei den Seekabeln Röhren mit einer Lebensdauer von mehr als 30 Jahren. In der Sendertechnik gibt es Röhren mit mehreren 100 KW Leistung. Die Spannungspegel liegen bei Röhren auch höher. Im Weltraum ist auch durch das vorhanden Vakuum die Technik einfacher.

    Die mangelnde Leistungsdichte bei Sonnenfernen Missionen könnte durch Konzentratoren ausgeglichen werden. Verspiegelte Mylarfolie gibt es bis herunter zu 5µm das ist gewichtsmäßig wesentlich leichter als 200µm Si. Die Entfaltung könnte durch Zentrifugalkraft erfolgen.

  7. Zentrifugalkraft zum Entfalten schön und gut, aber dann wäre der „Konzentrator“ nur ein ebener Spiegel. Der Reflektiert das Licht auf eine Fläche von genau dem Durchmesser wie der Spiegel selber. Also als Konzentrator unbrauchbar. Dazu müßten zumindest Teile der Fläche nach dem Entfalten geschwenkt werden. Dazu und auch um die ganze Konstruktion später in Form zu halten ist aber ein Tragegestell nötig. Das wird wohl deutlich schwerer werden als die Spiegelfolie selbst.

    Röhren haben aber einen klaren Nachteil: Sie brauchen Leistung für die Heizung der Kathode, und bei Hochleistungsröhren auch eine entsprechende Kühlung für die Anode. Bei Senderöhren sind wassergekühlte Anoden durchaus üblich, bei höchsten Leistungen Siedekühlung. Was bei Schwerelosigkeit problematisch wird.
    Dafür haben Röhren einen Vorteil: Sie sind recht unempfindlich für Strahlung.

  8. @ Elendsoft

    Ein Konzentratorspiegel ist für Missionen zu den äußeren Planeten wohl das richtige Mittel.
    Solange das Ionentriebwerk Schub gibt, wird sich die Folie nicht zu einer Fläche ausbreiten.

    Orthogonal zur Zentrifugalkraft wirkt sich die Beschleunigung des Ionentriebwerks aus.
    Die Folie wird sich perfekt parabelförmig ausbreiten.

    Durch eine zu geringe Drehzahl könnte man die einfallende Lichtmenge in der Anfangsphase des Fluges auf die benötigte Menge reduzieren. Entfernt man sich von der Sonne, erhöht man die Drehzahl de Spiegels.

  9. Das Drehende Segel würde in Form eines Trichters annehmen nicht parabelförmig.

    Siehe Faltenrock auf der Erde.

    Das Ionentriebwerk hat zwar eine geringere Beschleunigung als 9,81 m/s², dass wirddurch eine gerigere Drehgesschwindikeit ausgeglichen Werden.

    Ein perfekter Brennpunkt wird auch nicht benötigt, da der Spiegel nicht als Teleskop dienen muß und wir auch keinen Solarofen mit mehreren 100°benötigen.

    Im Zentrum des Trichters müssen die Solarzellen Säulenförmig angeordnet werden wie der Stiel eines Regenschirms.

    Wieso man so was bei Interplanetaren sonden nicht Baut ist mir Schleierhaft. Die Spiegelfolie ist viel leichter und billiger als größere Solarzellen

  10. @ Bernd Missverständniss

    Den drehende Folienkegel soll nicht als Sonnensegel dienen, sondern als Konzentratorspiegel zur Versorgung der Solarzellen im Aüßeren Sonnensystem.
    Der Vorteil, die Folie stabilisiert sich allein durch die Rotation und stetige Beschleunigung des Ionentriebwerks und benötigt keine weiteren Strukturen.

    Auch die Solarzellen in der Mitte würden sich durch die Beschleunigung in Längsrichtung von selbst stabilisieren, und kämen ohne zusätzliche Trägerstruktur aus.

    Z.B Drehender Folienkegel mit Rarius 50m und Höhe 50m.
    In der Längsachse ein Solarzellenzylinder von 70cm Durchmesser und 50m Länge.

    Eine verstärkung von Faktor 30 sorgt dafür, das die Solarzellen am Jupiter die gleiche Sonneneinstrahlung abbekommen wie ohne Kegel in Erdnähe.

    Durch die Reduzierung der Umfangsgeschwindigkeit des Spiegels bei gleichbleibender Beschleunigung durch ein Ionentriebwerk kann der Öffnungsradius des Kegels verkleinert werden, um die Solarzellen vor einer überhitzung am Abfang der Mission zu schützen müsste der Spiegel auf einen Radius von unter 10m in Erdnähe reduziert werden.

    Ein Kegel Fokusert nicht auf einen Punkt sondern in eine Linie im Zentrum.
    Das Beispiel oben ist mit kleinem Aufwand machbar.
    Mit einem Folienkegelradius von 1000m und einem Solarzellenzylinder von 10cm Radius u 1000m Länge im Kegelzentrum wäre eine Verstärkungsfaktor von 500.000 möglich damit könnte eine Sonde sogar das Sonnensystem verlassen und weiter mit Voller Leistung versorgt werden.

    Der Nachteil ist, das das System nur bei einer direktn Flugbahn von der Sonne weg seinen vollen Wirkungsgrad erreicht.

    Das heißt das zumindest ab Jupiter nur noch direkt von der Sonne weg geflogen werden kann. Dichter an der Sonne kann man da ja mit dem Öffnungswinkel gegensteueren.

    Die Idee sehe ich als einfach umsetzbar und kostengünstige alternative zu den RTGs oder extrem überdimensionierten Solarzellen.

    Wo liegt mein Denkfehler, denn wenns so einfach ist, dann gäbe es diese Tehnik sicher schon.

  11. Die Folie ist keine Flüssigkeit.

    Die Masseverteilung ist also 2 Dimensional nicht Dreidimensional wie bei Flüssigkeiten.

    Ich bin mir aber nicht 100% sicher. Schule ist lange her.

    Binde eine Kette an einen Besenstiel, stelle diesen senkrecht und drehe ihn schnell. Hängt die Kette gerade (wie bei einem Kettenkarusell), habe ich recht, bildet sie eine parabel, hast du recht.

    Die Quecksilberlinse kannte ich nicht.

  12. Eine Flüssigkeit kann an jedem Punkt sich auf das Gleichgewicht von Fliehkraft und Zugkraft einstellen, ein fester Körper kann das nicht, hier bestimmt die Fliehkraft die Streckung.

    allerdings dürfte der Schub eines Ionentriebwerks viel zu gering sein um die Fliehkraft auszugleichen wie man leicht rechnerisch beweisen kann. Das ganze wird also genauso flach wie eine Scheibe.

  13. Die Drehgeschwindigkeit muss soweit reduziert werden, bis
    Fliehkraft = Beschleunigung des Ionentriebwerks.
    Bei angenommen 4N Schub und 8000kg Sond muß die Radiageschwindigkeit sehr niedrig sein, da pro Tag nur um ca 10km/h beschleunigt wird.

    Das es auch mit minimaler Beschleunigung funktioniert zeigt Geosat. Hier reichte der minimale Gravitationsunterschied zwischen dem Mittelpunkt des Sateliten und den Solarzellen um diese in Position zu bringen.

  14. Zum Entfalten des Spiegels und der Solarzellen in längsrichtung könnte man ja am Anfang der Mission einen chenischen Zusatzantrieb oder mech. Federn zum Enttfalten in längsrichtung verwenden.

    Zur stabilisierung der Posotion reicht dann die Beschleunigung des Ionenatriebes. Selbst ohne Antreib sollte die Folie in Position bleiben. Nachdem die Balllonsateliten Echo von Meteoriten getroffen wurden, blieben diese auch lange in Position.

    Dadurch, dass man die Folie in Kegelform vorfertigt, kann sich die Folie nicht zu einer Kreisfläche ausdehnen. Da wie besprochen die Kräfte minimal sind kann hier mit einer erhöhten drehgeschwindigkeit gefahren werden, ohne, das die Folie Reißt.

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