{"id":14241,"date":"2019-08-19T20:02:02","date_gmt":"2019-08-19T18:02:02","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=14241"},"modified":"2023-02-28T18:31:55","modified_gmt":"2023-02-28T17:31:55","slug":"xenon-teuer-und-selten","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2019\/08\/19\/xenon-teuer-und-selten\/","title":{"rendered":"Xenon – teuer und selten?"},"content":{"rendered":"
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Ionenantriebe haben Zukunft, Ionentriebwerken gehört die Zukunft. Sie sind das Elektroauto der Raumfahrt und wie bei den Elektrofahrzeugen taucht dann auch schnell ein Damoklesschwert auf \u2013 das Xenon wird knapp!<\/p>\n

Xenon<\/a> ist das Arbeitsgas der gängigsten Ionentriebwerke. Und da nun immer mehr Raumsonden und Satelliten Xenon einsetzen, befürchten manche, es wird knapp. Es kursiert sogar die Zahl 600 kg Xenon als weltweite jährliche Produktion durch das Netz. Das heißt Raumsonden wie BepiColombo<\/a> und Dawn<\/a> haben mit einem Schlag die weltweite Jahresproduktion verbraucht!.\"\"<\/p>\n

Nun ist dem nicht so. In einem NASA-Dokument<\/a> erfahre ich das die weltweite Produktion 53 t pro Jahr beträgt also rund 100-mal mehr. Doch fangen wir mal mit den Grundlagen an. Woher kommt das Xenon und warum ist es so wichtig?<\/p>\n

Xenon ist das schwerste natürlich vorkommende Edelgas (Radon als noch schwereres Edelgas ist radioaktiv und daher nur in Spuren vorhanden \u2013 es stellt sich ein Gleichgewicht durch die Erzeugung aus dem Zerfall von Uran und Thorium und dem Eigenzerfall ein). Mit einem anderen \u201eIn\u201c-Element Lithium<\/a> teilt es zwei Eigenschaften \u2013 es gibt es eigentlich in großer Menge und es ist trotzdem teuer zu gewinnen. Lithium ist in großen Mengen im Meerwasser vorhanden (im Mittel mit 180 ppm, jedoch großen lokalen Schwankungen). Xenon ist in der Atmosphäre vorhanden. Aber mit noch geringerer Konzentration (0,087 ppm) und gleichmäßig verteilt. Durch die enorme Masse der Atmosphäre ist es wie bei Lithium aber eine enorme Menge: 20 Milliarden Tonnen!<\/p>\n

Xenon ist das Arbeitsmedium für Ionentriebwerke<\/a>. Dabei wird das Xenon ionisiert, verliert also eines oder mehrere Elektronen. Dann wird das Xenon-Ion durch das Triebwerk beschleunigt. Das geschieht durch ein elektrisches Feld, erzeugt durch eine Spannungsdifferenz zwischen Einlass und Ausgang.<\/p>\n

Wer aufgepasst hat, merkt, ich habe gar nicht geschrieben, warum das Xenon nun für Ionentriebwerke benötigt wird. Es wird auch nicht benötigt, es ist nur am besten geeignet. Das Arbeitsmedium eines Ionentriebwerks muss aus Triebwerkssicht keine besonderen chemischen Eigenschaften haben, es ist nur von Vorteil, wenn das Atomgewicht groß ist. Durch das Ionisieren kann man keine größeren organische Moleküle einsetzen, die würden dabei meistens zerfallen, deswegen nimmt man als Arbeitsmedium ein Element, das eine hohe Atommasse hat. Und das Element, das gasförmig ist und die höchste Atommasse hat, ist Xenon. Der Gaszustand macht das Fördern sehr einfach. Es genügt ein Druckgastank und ein Reduzierventil.<\/p>\n

Es ist aber nicht als einziges Element geeignet. Als ich mich mit Ionentriebwerken erstmals beschäftigte, wurden die meisten von ihnen mit Quecksilber<\/a> angetrieben. Quecksilber hat die Atommasse 200, Xenon nur eine von 131 (Alle Angaben sind gerundet, das ist für meine Chemikerkollegen sehr wichtig). So gesehen ist Xenon sogar Quecksilber unterlegen. Auch die Ionisierungsenergie ist geringer. Im Handling ist Quecksilber etwas problematischer. Als Flüssigkeit ist es natürlich etwas schwerer zu fördern als ein Gas, doch dafür gibt es auch seit Jahrzehnten Lösungen für andere flüssige Treibstoffe. Als Nebeneffekt ist das Gesamtsystem leichter, denn die Druckgastanks für Xenon sind recht schwer. Doch in den letzten Jahrzehnten hat Xenon Quecksilber als Treibstoff für Ionentriebwerke völlig verdrängt. Sogar bestehende Triebwerke wie das RIT-10 wurden umgerüstet. Ist Xenon ein viel besserer Treibstoff? Nein, nur die Gesetze wurden verschärft. Ein Triebwerk mit 1 kW Leistung und einem spezifischen Impuls von 35000 m\/s verbraucht in seiner \u201eGarantielebenszeit\u201c von 10.000 Stunden rund 40 kg Treibstoff. Es muss für diese Lebensdauer qualifiziert werden und dann landen eben 40 kg Quecksilber in der Testkammer. Selbst wenn man den Großteil davon wieder auffangen kann \u2013 Quecksilber verdampft leicht, ebenfalls eine für den Betrieb positive Eigenschaft. Kurz man hat mit etlichen Arbeitsschutz- und Umweltauflagen erfüllen und das geht viel einfacher mit Xenon.<\/p>\n

Gibt es weitere Alternativen? Ein Treibstoff für Ionentriebwerke sollte:<\/p>\n