Das Lichtbogentriebwerk als Alternative zum Ionenantrieb

Das Lichtbogentriebwerk als Alternative zum Ionenantrieb

Es gibt neben den „klassischen“ Ionentriebwerken, die Ionen und Elektronen getrennt durch ein elektrisches Feld beschleunigen gibt es auch noch die thermalen Ionentriebwerke, auch Lichtbogentriebwerk oder Arcjets genannt. Ich will auf diese heute mal eingehen und wo ich bei ihnen Anwendungen sehe.

Auf die Idee kam ich als ich einen Beitrag über ein Unternehmen lass, dass daran arbeitet, einen Antrieb für Cubesats zu entwickeln. Cubesats sind bisher antriebslos. Sie haben einfach nicht die Masse und den Platz um einen Tank, der unter Druck stehen muss und selbst kleine Triebwerke unterzubringen. Die Firma will Wasser nutzen, dass sie wie bei einem Tintenstrahldrucker thermisch aufheizt und dann durch eine Miniaturdüse expandierst. Der Schub ist so klein, das dürfte auch eher für Lageänderungen als Bahnänderungen gedacht sein. Das Problem ist, das auch der spezifische Impuls klein ist: der spezifische Impuls eines chemischen Antriebs hängt von der Temperatur und der Molmasse der Gase ab, vergleicht man nun den Antrieb mit LOX/LH2 wo ja auch Wasser entsteht so dürfte bei einer Temperatur von 100 °C die hat Wasserdampf der spezifische Impuls beträchtlich kleiner sein als bei der Verbrennung in einem Raketentriebwerk mit über 3000°C.

Ich dachte mir dann, zumindest für große Satelliten wäre eine Alternative, wenn man anstatt schweren Druckgastanks für den lagerfähigen Treibstoff man Wasser in einem normalen Tank lagert, dann für einen Impuls durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet und das in (kleineren) Druckgastanks lagert, bis man es bei einer Verbrennung braucht. Auch so sind natürlich nur kleine Geschwindigkeitsänderungen möglich. Eine kleine Rechnung ergab das für schon mittlere Bahnmanöver man aber so große Tanks braucht, das man keinen Gewichtsvorteil mehr hat und bei kleinen Geschwindigkeitsänderungen fiel mir ein, gibt es ja schon eine Technologie die Wasser als Treibstoff nutzen kann – Lichtbogentriebwerke.

Das Lichtbogentriebwerk ist von allen Plasmatriebwerken einem normalen Triebwerk am ähnlichsten: Ein Lichtbogen erzeugt aus einem Arbeitsmedium ein Plasma, das herkömmlich durch eine Düse expandiert wird. Da das Plasma eine viel höhere Temperatur erreicht, als bei einer Verbrennung erreicht wird, ist der spezifische Impuls höher als bei chemischen Triebwerken. Bei der Uni Stuttgart hat man bei Versuchen mit Wasserstoff 15 km/s erreicht. Mit Ammoniak, auf dieses Beispiel werde ich mich beziehen, erreicht man nach NASA-Angaben immerhin noch 7000 m/s. Das ist mehr als das Doppelte, das lagerfähige Treibstoffe erzielen, mit einer entsprechenden Reduktion der Treibstoffmasse. Wasser ginge auch, man hat Ammoniak, Stickstoff oder Wasserstoff untersucht, weil dies Gase sind und damit die Förderung einfach. Ich halte Ammoniak, wenn man die Tankmasse mit berücksichtigt für die beste Möglichkeit, auch wenn der spezifische Impuls kleiner als bei Wasser ist: Ammoniak kann man unter normalem Druck bei -33 Grad verflüssigen, bei 20 Grad reicht ein Druck von 7,5 Bar. Man könnte also normale Tanks für MMH/NTO nehmen, die meist auf 11-15 Bar Betriebsdruck ausgelegt sind. Wenn man die Kühlung auf unter -33 Grad Celsius dauernd gewährleisten kann, dann kommt man ohne Druckgastanks aus. Reduziert man den Druck, dann geht Ammoniak wieder in den Gaszustand über. So gesehen hat es gute Eigenschaften als Arbeitsmedium, wenn auch wegen des enthaltenen Stickstoffs nicht einen so hohen spezifischen Impuls wie Wasserstoff. Aerojet verwendet Hydrazin und erreicht einen spezifischen Impuls von 402 bis 612 s (4924 – 6033 m/s) wegen des kleineren Wasserstoffanteils. Hier ist das Arbeitsmedium auch ohne Druck lagerbar.

Entsprechend dem allgemeinen Zusammenhang:

c = 2 L / F * W

mit

c = Ausflussgeschwindigkeit [m/s]

L = elektrische Leistung [Watt]

F = Schub [N]

W = Wirkungsgrad (dimensionslos 0 .. 1)

erreicht man mit Ammoniak und c = 7.000 m/s einen höheren Schub, als bei den elektrostatischen Triebwerken bei denen c bei 30.000 bis 45.000 m/s liegt, wenn man dieselbe Leistung einsetzt.

Etwas betrüblich ist allerdings das der Wirkungsgrad von Lichtbogentriebwerken sehr schlecht ist. Nur ein kleiner Teil der thermischen Energie wird an das Arbeitsmedium übertragen. Die Triebwerke müssen für längeren Betrieb sogar gekühlt werden. Ein kontinuierlicher Betrieb ist nicht möglich, beim MR-510 von Aerojet folgt z.B. nach einer Betriebszeit von 1 Stunde eine Abkühlungsperiode von einer halben Stunde. Auch die Lebensdauer ist so kürzer, bei diesem Modell etwa 1600 Stunden, klassische Ionentriebwerke mit nicht-thermischer Ionisation sind für 5000 bis 10.000 Stunden Betrieb qualifiziert.

Bei einem klassischen Lichtbogentriebwerk beträgt der Wirkungsgrad nur 15-20 %, elektrostatische Triebwerke kommen auf 50 bis 70%. Bei einer Erhitzung über einen elektrischen Widerstand kommt man auf höhere Wirkungsgrade, aber auch niedrigere Plasmatemperaturen, die wiederum den spezifischen Impuls selbst bei Wasserstoff auf maximal 8000 m/s begrenzen.

Bisher hat Russland relativ viele Lichtbogentriebwerke in ihren Meteorsatelliten eingesetzt und entwickelt auch einige weiter. In US oder ESA-Satelliten kenne ich dagegen keinen Einsatz, immerhin hat Aerojet einige im Programm. Eine mögliche Verbesserung, aber bisher noch nicht in der Praxis erprobt ist, dass man dem Lichtbogentriebwerk eine Beschleunigungsstufe nachschaltet. Dazu legt man ein magnetisches Feld an, das die Ionen weiter beschleunigt. Man kommt damit in die Region, die auch elektrostatische Triebwerke bei ihrer Ausströmgeschwindigkeit erreichen, aber bei immer noch niedrigerem Wirkungsgrad von 30 bis 40 %.

Aufgrund der Notwendigkeit einer Kühlung bei dauerndem Betrieb sehe ich als einen möglichen Einsatzzweck die Lageregelung von Satelliten. Hier könnte das System mit einem vergleichbaren Aufwand gegenüber katalytisch zersetztem Hydrazin punkten, bei etwa 3-mal höherem spezifischen Impuls und dadurch geringerem Treibstoffverbrauch. Gegenüber klassischem Ionentriebwerk ist bei gleicher Leistungsaufnahme der Schub etwa doppelt so hoch – der niedrige Wirkungsgrad wird durch den niedrigen spezifischen Impuls ausgeglichen. Die Literatur nennt als weiteren Vorteil, dass man bei gegebener Triebwerksgröße eine höhere Leistung umsetzen kann – Triebwerke mit bis zu 200 kW Leistung wurden getestet, wegen der Abwärme aber nur im Kurzzeitbetrieb.

Allerdings haben die meisten Satelliten bei der Lagereglung einen geringen Bedarf. Die große Ausnahme sind geostationäre Satelliten, die sowohl den Nord-Süd Drift verhindern müssen, wie auch das sie sich in Gravitationssenken wie unter dem Pazifik ansammeln. Auch die haben ja schon ein größeres System an Bord um den Orbit zu erreichen entweder mit lagerfähigem Treibstoff oder mehr und mehr heute auch mit einem elektrostatischen Ionentriebwerk.

Schlussendlich ist es nicht automatisch so, dass Ionentriebwerke einen hohen spezifischen Impuls haben müssen. Es gibt auch Triebwerke mit geringer Beschleunigungsspannung, die dann einen spezifischen Impuls von nur 12000 bis 18000 m/s haben. Dies kann von Vorteil sein, wenn man eine enge Zeitvorgabe hat, da man (gemäß obiger Formel) bei 15.000 m/s Ausströmgeschwindigkeit den dreifachen Schub wie bei 45.000 m/s erreicht. Selbst wenn der Körper dann durch mehr Treibstoff mehr wiegt, geht, es dann erheblich schneller. Und es gibt einige Triebwerke, die liegen in diesem Bereich. Trotzdem erreichen auch sie problemlos Wirkungsgrade von 50% bei einer längeren Lebensdauer ohne die Forderung nach Abkühlungszyklen.

So verwundert es nicht, dass Lichtbogentriebwerke bisher ein Schattendasein führen – ich denke das wird auch so bleiben.

18 thoughts on “Das Lichtbogentriebwerk als Alternative zum Ionenantrieb

  1. Hallo Bernd,
    mit Wasser kenn ich mich aus, allerdings von einer anderen Antriebsart mit Wasserdampf!

    Als Treibstoff benötigt Wasser wahrscheinlich doch eine Tankisolierung, unter Weltraumbedingungen könnte Wasser gefrieren, allerdings unter Vakuum sublimiert es auch
    sehr schnell wieder….

    Es muß um gasförmig sein, um als Antrieb zu dienen, das geht „einfach“ durch erhitzen.
    Dabei dehnt sich flüssiges Wasser bei Luftdruck um das 1725 fache aus. Wenn man das unter höherem Druck macht, z.b. 16 fachen Druck kann man schon was machen, denn dann hat der Dampf von 1 Kubikmeter 8,4 kg Masse, und bei 225,6 fachem Druck hat der Dampf dieselbe Masse wie Wasser! (Unter normalen atmosphärischen Bedingungen!)

    Ich glaube, wenn ich die „Ausdehnungskoeffizienten“ von Sprengstoffen (Festtreibstoffen) mit denen von Wasser vergleiche ist Wasser garnicht so schlecht…..

  2. Das gilt aber für alle Treibstoffe, auch Ammoniak oder Hydrazin. Letztendlich lassen sich alle Dinge auf die allgemeine Gasgleichung zurückführen und da kannst Du die mittlere Geschwindigkeit eines Moleküls bei Temperatur x berechnen. Beim Verbrennen von LOX/Lh2 entsteht auch Wasser, nur eben bei höherer Temperatur = höherer Geschwindigkeit der Gasmoleküle = höherer spezifischer Impuls, er müsste da der Zusammenhang quadratisch mit der Temperatur ist in etwa 3-mal kleiner als wie bei LOX/LH2 sein.

  3. Also, meine Kenntnisse stammen von der guten, alten Dampflokomotive.
    Bei dieser kann 1 Zylinder mit 60 cm Durchmesser bei 16 kg/cm^2 eine Druckkraft von ca.
    32t (im Ideal,entspricht nicht ganz der Fläche * Druck wg. diverser Einschränkungen
    (Kolbenstange, Kolbenstellung, Drosselung etc…) bei einem Durchmesser einer Düse von 60 cm wären es sogar 45t (im Idealfall). Das könnte zumindest bei Lagedüsen doch ziemlich reichen…
    Genaue Werte für z.B ein Triebwerk mit 1 cm und 16 Mpa überlasse ich lieber Deiner Be-
    rechnung, da bist Du besser.

    Ich glaube aber, das durch die „einfache“ Technik für ein „Wasserdampftriebwerk“
    (ungefährlicher Treibstoff, der nicht besonders gekühlt werden muß, einfache Treibgaserzeugung durch direkte Erhitzung (elektrisch oder Sonnenstrahlung) und
    ein problemloses Entleeren des Tanks bei Ende der Lebensdauer. (Keine Explosionsgefahr, einfach nur ein Ventil öffnen, den Rest erledigt die Sonne bzw. das Vakuum)

  4. Naja. auch wenn ich selber auch Dampflokfan bin:

    Sie kamen nie über einen Wirkungsgrad von 8%.
    Schuld ist, das die meiste Energie für den Phasenübergang Flüssig/Gasförmig gebraucht wurde. In einem geschlossenen Dampfzylinder durfte aber der umgekehrte Vorgang nie passieren. Weil ja sonst eben wieder das Volumen nicht stimmte.

    Erst die Dampfturbine löste das Problem, da hier ja sogar absichtlich bis unter den Kondensationspunkt gefahren wurde: Die Volumenabnahme bei der Kondensation ‚zog‘ geradezu den Dampf durch die Turbinenblätter: Wirkungsgrad über 40%

    Ich kann jetzt nicht wirklich sagen, was im Vakuum passiert, nehme aber an, das der Dampf erst nach dem Ende der Düse kondensieren oder was auch immer darf um noch Schub zu erzeugen. Und das ist dann entweder technisch nicht möglich oder hat einen ebenso schlechten Wirkungsgrad wie bei der Kolbendampfmaschine.
    Sonst wären sie z.B. schon bei Apollo drauf gekommen, da hatten sie ja Wasserdampf aus den Brennstoffzellen und hätten den z.B. für die Lageregelung nehmen können. Wasser hatten sie zumindest reichlich.

    Der andere Bernd.

  5. Da kann ich mit genauen Daten zum Wirkungsgrad liefern:
    von 100% Energie in der Kohle gehen:
    18% durch das Abgas verloren
    04% durch Lösche und Schlacke
    09% durch Wärmestrahlung
    58% durch Abdampfverlust.

    Nur 10,7% leistet der Zylinder, davon gehen ca. 5% durch mechanische Verluste noch weg,
    bleiben 10,2% am Radreifen.

    bei einer „Wasserheizung“ für ein Raketentriebwerk dürften wohl mehr als 80% als
    Schub anstehen. (nur geschätzt)!

    der dampfende Ralf mit Z

  6. Leute ihr seid hier auf dem völlig falschen Dampfer.

    Bei einem Raketentriebwerk zählt weder der absolute Druck noch die Leistung die ein Antrieb in kw liefern würde, sondern die Leistung bezogen auf den Stoffumsatz. Dazu muss Ralph wissen wie viel Wasser pro Sekunde umgesetzt werden muss um seinen druck dauerhaft zu liefern wenn es durch eine Öffnung expandiert also verloren geht.

    Die Umrechnung findet man bei mir in:
    https://www.bernd-leitenberger.de/triebwerke.shtml

    umgeformt auf den spezifischen Impuls beträgt die Formel:

    c = Wurzel(2000 * L / m)

    mit L = Leistung in Kw
    m Stoffumsatz (verlorenes Wasser pro Sekunde in kg)
    c Aussträömgeschwindigkeit

  7. Hallo Bernd,
    als Dampflokfans sind wir immer auf dem richtigen Dampfer 😉

    nach Deiner Formel habe ich folgende Rechnung aufgestellt:
    1500 kw Leistung, 5 Liter pro Sekunde Ergebnis: 775 m/s

    Die 1500 kw Leistung und 5 l/s bzw. 300 l/min stammen von einer Schnellzugdampflok….

    Hast recht, der Dampf reicht nicht….für die Raumfahrt.
    Auf Schienen aber doch 😉

  8. Ich habe auch mal in der Literatur nachgeschaut. Zwischen 1963 und 1965 hat man dampfbetriebene Beschleunigungsschlitten für Katapultstarts und Crashversuche erprobt. Bei 40 bis 100 Bar Anfangsdruck und Temperaturen von 249 bis 310°c wurden nur spezifische Impulse von 465 bis 665 m/s erreicht, also noch unter deinem Wert.

  9. Mathematisch habe ich Deine Formel aber richtig benutzt.

    Eine Schnellzugdampflok leistet 1500 kw, die 5 l/sekunde kommen von der Pumpleistung
    einer Wasserspeisepumpe, von der zwei vorhanden sind, aber eine muß für die
    Lok im Notfall reichen.

    Gilt Deine Formel im Vakuum?
    Wenn ja, dann sind Deine Werte plausibel (Reibung, Luftwiderstand etc…)

    Auf jeden Fall ist aus meiner Idee die Luft raus… äh der Dampf natürlich…

  10. Meine Formel gilt im Vakuum, die gemessenen Werte natürlich bei 1 bar Expansionsenddruck. Daneben ist die Formel für die nutzbare Arbeit die das Raketentriebwerk leistet, nicht die Energie die im Dampf steckt. Nach Aktio = reaktio steckt gleich viel in den Gasen die die Düse verlassen und es gibt natürlich auch noch Verluste.

  11. Ok, ist zwar offtopic, aber wenn wir schon beim Thema Steam Punk Raumfahrt sind:

    Hat hier wer auch vor Jahren Stephen Baxters „Antieis“ gelesen? ^^

  12. Ja das stimmt, aber eine Rakete hat als Energiequelle ja auch keine Kohle, kein Fahrwerk, keinen Dampfkessel und muß keine 2000 Tonnen Nutzlast bewegen!

    Steampunk sieht toll aus, aber der „echte“ Punk geht ab, wenn zwei Dampfloks 4000 Tonnen anfahren! (Oder eine Saturn 5 startet!)

    Volldampf forewer!

  13. Also das „Gestänge“ links und rechts an den Rädern hat komplett bis zu 5 Tonnen,
    Der Zylinderblock könnte ebenfalls 5 Tonnen wiegen.

    Laut Wiki wiegt ein F-1 Triebwerk betriebsfähig ca. 9,1 Tonnen und kann 700 Tonnen gegen die Schwerkraft heben.

    Eine Dampflok kann dagegen nur ca. 32 Tonnen Kraft aufbringen, allerdings gegen 170 to
    Betriebsgewicht!

    Aber die Ursache für den „Untergang“ der Dampfmaschine ist mehr folgendes:
    1. Es sind meist zwei Leute pro Lok notwendig um zu fahren, dazu 6 – 7 Leute für die
    Pflege, Reparatur, Wasserfassen, Kohle bunkern etc…
    2. Die Dampflok braucht solange sie in Betrieb ist, immer Treibstoff. Eine Diesel- oder
    Ellok kann jederzeit an- und abgestellt werden.
    3. Öl hat eine höhere Energiedichte, Strom einen besseren Wirkungsgrad (allerdings nicht
    so gut wie eine Diesellok, siehe früheren Blog)
    4. Alles was ich noch vergessen habe!

    Als letzte Werte von der Dampflok:
    Bei einem Kesselzerknall (Schlagartige Zerstörung der Feuerbüchse)
    gibt es in meinem schlauen Buch folgende Werte: Fläche der Feuerbüchse 4 m², 10 atü Druck im Kessel bedeutet schlagartig 400t Schub durch den Riß in der Feuerbüchse, bei 6 m³ Wasser reicht das, den Kessel mehrere 100 Meter durch die Luft zu schleudern, und die Lok völlig zu zerstören.

    Leider muß ich zugeben, damit ist dem Dampf endgültig der Druck ausgegangen…
    Spaß machts mir trotzdem!

    Dampfende Grüße
    Ralf mit Z

  14. @Ralf:

    Da siehst du mal, wie verschieden die Sicht auf die Dinge sind.

    Für mich sind die Dampflokomotiven einfach die Technik, die im 19. Jahrhundert der Technikgeschichte „Feuer unter dem Hintern“ gemacht haben. Sie haben uns die Neuzeit katapultiert.

    Aber das Bessere ist des Guten Feind.
    Das Schweizer Krokodil hat schon 1919 gezeigt, das die Dampflok Technik des 19. Jahrhundert ist.
    Das hält mich aber nicht davon ab, staunend vor einer Dampflok zu stehen, da das Technik zum Anfassen ist. Man versteht, wie es funktioniert. (Nagut, wirklich verstehen tut man es erst, wenn man sich etwas eingelesen hat.)
    Nichtsdestotrotz: Technik zum Anfassen….. im Gegensatz zu einem Z80-Chip.
    Aber Obsolet.

    Du hast den genauso wichtigsten Grund neben Personal bei deiner Aufzählung vergessen: Den Energetischen Wirkungsgrad.

    Dampflok:
    DLM (Dampflokomotiv- und Maschinenfabrik AG, Winterthur CH) ernegetisch optimierter Umbau einer Einheitslokomotive (BR 52 8055) in 1996, Wirkungsgrad ca. 10%
    Einheitslokomotiven der DRG/DR/DB: Wirkungsgrad 5,5 bis 7,5%

    Diesellok: real bis 32%

    Elektrolok:
    Lok selbst ca. 90%, Stromerzeugung je nach Art zwischen 30% und 90%, Transportverluste ca. 10%

    chem. Rückstosstriebwerk: begrenzte Einsatzmöglichkeiten aber Wirkungsgrad > 96%. Und das bei beispielosen Leistungs/Gewichtsverhältnis!

    Auf die Dampfmaschine! Die erste brauchbare Kraft/Wärmemaschine!

    bernie

  15. Arcjet-Triebwerke haben allgemein das Problem, dass der Lichtbogen und das Plasma das Triebwerk angreifen. Im Zweifelsfall werden die Elektroden immer dünner, bis sie irgendwann ganz weg sind. Kennt man ja von den alten Leuchtstoffröhren oder nicht ganz so alten „Energiesparlampen“, dass die jeweils „nur“ einige tausend Stunden durchgehalten haben. Unter Vakuum-Bedingungen dürfte der Verschleiß der Elektroden noch deutlich höher sein.

    Für Ionentriebwerke für Cubesats wird übrigens derzeit Jod als Treibstoff „heiß“ diskutiert, zum Beispiel hier:
    https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/vlad_busek_iodine_rf_ion_thruster_tagged.pdf

    Vorteile von Jod:
    – Kein Drucktank nötig, was Konstruktion und Sicherheitsbegutachtung vereinfacht.
    – Geringes Tankgewicht
    – (Fast) beliebige Tankformen möglich
    – Hohe Dichte, also kleines Tankvolumen
    – Der Dampfdruck von Jod ist bei üblichen Betriebstemperaturen von Satelliten dennoch hoch genug, um ausreichenden Gasstrom zum Triebwerk zu gewährleisten
    – Billiger als Xenon
    – Ansonsten ähnlich gute (oder schlechte) Performance wie Xenon
    – Man kann sogar auf die Idee kommen, den mit festem Jod gefüllten Tank als Strukturelement zu verwenden. Beim Start in den Orbit verleiht das Jod dem Satelliten Festigkeit. In der Schwerelosigkeit angekommen wirken nur noch kleine Kräfte auf den Satelliten, so dass die Tankhülle (ohne das Jod) als Strukturelement ausreicht. Das Jod kann also gefahrlos entnommen werden.

    Im Ergebnis sind so Cubesats mit Δv von 2 bis 3 km/s möglich.

    @bernie: Bitte verwechsele nicht die Verbrennungseffizienz von chem. Rückstoßtriebwerken mit deren Wirkungsgrad! Beispiel H2/O2: Beim Mischungsverhältnis von 1:6 (Masse Treibstoff : Masse Oxidator) und einem Heizwert von flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff von 117,7 MJ/kg müsste bei 100% Wirkungsgrad aus 1,333 kg Wasserstoff (von denen 1 kg verbrannt wird) und 8 kg Sauerstoff ein 5 km/s schneller Abgasstrahl entstehen: 9,333 kg * 0.5 * (5 km/s)² = 117 MJ. Real werden derzeit im Vakuum 4,4 bis 4,5 km/s erreicht, entsprechend ca. 90% Wirkungsgrad. Allerdings werden nur 75% des Treibstoffs auch genutzt, entsprechend beträgt der auf den Treibstoff bezogene Wirkungsgrad nur 67,5%. Verwendet man Treibstoff und Oxidator im stöchiometrischen Verhältnis,

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