DE3728011A1 - Ionentriebwerk - Google Patents
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- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J27/00—Ion beam tubes
- H01J27/02—Ion sources; Ion guns
- H01J27/24—Ion sources; Ion guns using photo-ionisation, e.g. using laser beam
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Description
Die Erfindung betrifft ein Ionentriebwerk für Objekte im
Weltraum, vorzugsweise in Form von Raumfahrzeugen. Hierbei
müssen sich die Objekte, beispielsweise die Raumfahrzeuge,
im Weltraum in Gegenden befinden, in denen sich wegen fehlender
atmosphärischer und plasmatischer Einflüsse sonnenbestrahlte
Oberflächen positiv aufladen.
Bekanntlich erfahren Kometen beim Ausstoßen von Staub und
Gas nichtgravitätische Kräfte, was beispielsweise auch wieder
bei der Auswertung von Beobachtungen und zahlreichen
Meßdaten am Kometen Halley bestätigt worden ist. Ein derartiger
Materialausstoß beispielsweise an einem Kometen wird
von elektrostatischen Kräften stark beeinflußt, wenn nicht
sogar überhaupt erst ausgelöst. Die Erzeugung von solchen
nichtgravitätischen Kräften beispielsweise an Raumfahrzeugen
kann zu deren Antrieb ausgenutzt werden.
Die Entwicklung und der Bau von elektrischen bzw. elektronischen
Triebwerken hat in einer Anzahl Ländern, beispielsweise
in den U.S.A., der UdSSR, in Japan, der Bundesrepublik
Deutschland und in verschiedenen anderen Ländern zu anwendungsreifen
und anwendungsfähigen Produkten geführt. Alle
diese Einrichtungen weisen im allgemeinen eine Ionenquelle,
ein zwischen der Ionenquelle und einem Beschleunigungsgitter
aufgebautes Potential sowie eine Elektronenquelle zur Neutralisation
eines Ionenstrahls auf. Als Treibstoff wird hier
in vielen Fällen Quecksilber benutzt. Triebwerke dieser Art
beziehen ihre Energie aus einem Bordnetz, welches aus leistungsfähigen
Stromquellen, beispielsweise in Form von Solarzellen,
radiothermischen Generatoren u. ä., gespeist wird.
Hierbei hängen die erzielbaren Schübe von der zur Verfügung
stehenden und damit anlegbaren Spannung ab. In der Praxis
werden mit solchen Triebwerken Schübe bis etwa 1 N erreicht.
Hierbei sind die Hauptnachteile der bisher zum Einsatz gekommenen
Triebwerke insbesondere deren hohe Erstehungskosten,
die auf die sehr leistungsfähigen Stromquellen zurückzuführen
sind.
Ziel der Erfindung ist es daher, ein besonders kostengünstig
herstellbares Ionentriebwerk zu schaffen, das weitgehend
wartungsfrei und ausgesprochen zuverlässig arbeitet. Gemäß
der Erfindung ist dies bei einem Ionentriebwerk für Objekte
im Weltraum, vorzugsweise in Form von Raumfahrzeugen, durch
die Merkmale im Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Ionentriebwerk ist davon ausgegangen,
daß die Aufladung eines Raumfahrzeugs durch die - im
Weltraum ungestört vorhandene - Bestrahlung durch die Sonne
zum Aufbau eines ionenbeschleunigenden Potentials ausnutzbar
ist. Um dies zu erreichen sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung in einer der ständigen Bestrahlung
durch die Sonne ausgesetzten Fläche des Raumfahrzeugs
Oberflächenzonen oder -bereiche mit einem leicht ablösbaren
und ionisierbaren Material in Form von kleinsten Partikeln,
wie vorzugsweise Staubpartikeln, oder in Form von leicht
verdampfbarem Gas in einer ausreichenden Menge vorgesehen.
Bei dieser Ausbildung eines erfindungsgemäßen Ionentriebwerks
werden dann von der sonnenbestrahlten Fläche Photoelektronen
freigesetzt, die vor dieser Fläche eine Raumladung
und damit ein Potential zwischen der Fläche und der
Raumladung aufbauen, und das durch elektrostatische Kraftwirkung
aus den Oberflächenzonen oder -bereichen ionisierbare
und leicht ablösbare Material in einer für einen benötigten
Schub erforderlichen Mengen beschleunigen.
Wenn die der Bestrahlung durch die Sonne ausgesetzte Fläche
eine Fläche F ist, beträgt die erreichbare Bestrahlungsleistung
I = I₀ · F · cos α, wobei I₀ die Solarkonstante und α
der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung, d. h. die Abweichung
von der vertikalen Sonnenbestrahlung auf die Fläche F ist.
Hierbei führt der UV-Anteil η dieser Sonnenstrahlung über
den sogenannten äußeren Photoeffekt zur Ablösung von Elektronen,
d. h. zur positiven Aufladung der Fläche F und dadurch
zur Bildung einer Raumladung vor der sonnenbeschienen
Seite der Fläche F. Hierdurch entsteht ein Potential U.
Das Potential U hat dann ein Maximum, wenn keine schuberzeugenden
Ionen freigesetzt werden. Je mehr Ionen beschleunigt
werden, desto stärker nimmt jedoch das Potential ab. Das anzustrebende
Optimum hängt nicht nur von dem Flächenverhältnis
der Oberflächenzonen oder -bereiche beispielsweise in
Form von Aussparungen, zu der gesamten, sonnenbestrahlten
Fläche ab, sondern auch von den verschiedenen Materialien,
wie zum Beispiel der Metalloberfläche, der Staubbeschaffenheit,
usw.
Enthält nun die Fläche F eine Anzahl Oberflächenzonen in
Form von Aussparungen oder Vertiefungen, mit einem leicht
ablösbaren und ionisierbaren Material, beispielsweise in
Form von kleinsten Staubpartikeln oder mit leicht verdampfbarem
Gas, so wird dieses "Material" in Richtung eines Feldes
E = grad U beschleunigt. Eine erreichbare Geschwindigkeit
v eines Teilchens der Masse m ist dann
1/2 × m · v² = Z · e · U (1)
wenn e die Elementarladung und Z die Ladungszahl des Teilchens
bedeuten. Durch Auflösen von Gl. (1) ergibt sich für
die erreichbare Geschwindigkeit v
v = (2 · Z · e · U/m) 1/2 (2)
mit einem Impuls P von
P = m · v = (2 · m · Z · e · U) 1/2 (3)
Wenn nun pro Sekunde N Teilchen auf diese Weise beschleunigt
werden, so wird auf das Raumfahrzeug, welches die sonnenbeschienene
Fläche F aufweist, eine beschleunigende Kraft K
übertragen, und zwar
K = N · m · v = N · (2 · m · Z · e · U) ½ (4)
Zur Aufrechterhaltung des Potentials U ist jedoch eine ständige
Nachlieferung von Photoelektronen eine notwendige Voraussetzung.
Mit einer Austrittsarbeit A für die Photoelektronen
ergibt sich dann zur Aufrechterhaltung des Potentials
U:
I = I₀ · η · F · cos α = Ne · (e · U + A) < N · m · v²/2 (5)
Da für die Masse m e eines Elektrons in Relation zu der Masse
m von Material- oder Gaspartikeln die Beziehung gilt
m » m e , beschleunigen die Ionen beim Durchdringen der
Raumladung ihrerseits Elektronen, und es entsteht somit ein
quasineutraler Plasmastrahl.
Beispielsweise kann durch Einsetzen von entsprechenden Zahlenwerten
in die vorstehend wiedergegebenen Gl. 1 bis 5,
der erreichbare Schub abgeschätzt werden.
Nach Isensee und Maassberg (Adv. Space Res. 1, 413-416,
1981) erreicht eine Sonde in einem Abstand von einer (1)
Astronomischen Einheit (= 150 Mio km) von der Sonne ein Potential
von U = +3,8 V. Wird nun Z = 1 und m ≈ 10-20 kg
(feinster Staub) gewählt, so ergibt sich v ≈ 11 m · -1.
Ein einzelnes Teilchen hat somit einen Impuls von P = 1,1 × 10-19 N · s.
Die Solarkonstante in 1 AE beträgt 1,4 · 10³ W · m-2.
Bei senkrechter Bestrahlung und mit η = 10-2 ergibt sich
I = 14 W. Mit U₀ = A/e ≈ 4 V wird dann N e ≈ 1019 m-2 · s-1 und
somit N ≲ 1019 m-2 · s-1 erhalten. Dabei ist jedoch der Quantenwirkungsgrad
η′ noch nicht berücksichtigt. Er liegt für
technische Oberflächen zwischen 1 und 10%.
Wenn das Verhältnis Fläche der Aussparungen für ionisierte
Teilchen zu Gesamtfläche zu 10% gewählt wird, ergibt sich -
bezogen auf die Gesamtfläche - somit N ≈ 10¹⁶ m-2 · s-1.
Es wird dann bei einem Treibstoffverbrauch (beispielsweise
feinster Staub) von N · m ≈ 0,1 g · m-2 · s-1 eine beschleunigende
Rückstoßkraft von K ≈ 10-3 N · m-2 erhalten. Dem entspricht bei
Staub der Dichte ρ = 1000 kg · m-3 eine Abtragungsrate auf
einer Fläche von 0,1 m² pro 1 m² Grundfläche von 10-3 mm · s-1.
Mit einem weißen Sonnensegel wird dagegen nur ein Schub von
ungefähr 10-5 N · m-2 erreicht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung läßt
sich der Schub eines passiven Ionentriebwerks gemäß der Erfindung
in einfacher Weise dadurch verändern, daß über der
sonnenbestrahlten Fläche eine verstellbare Blendenanordnung
angebracht ist. Durch die Änderung der Neigung der Fläche
gegenüber der Richtung der Sonneneinstrahlung wird eine
Richtungssteuerung des Schubs und zwar auf Kosten einer
Schubverminderung um den Faktor cos α erreicht, wobei auch
hier der Winkel α die Neigung der bestrahlten Fläche F gegenüber
der senkrechten Sonneneinstrahlung angibt.
Bei der praktischen Ausführung passiver Ionentriebwerke
gemäß der Erfindung können die die Ionen liefernden Zonen
oder Bereiche in der sonnenbestrahlten Fläche etwa
rund oder auch eckig sein. Obwohl möglichst ebene Flächen
vorzuziehen sind, sind durchaus auch gekrümmte oder gewundene
Flächen mit den erforderlichen Abmessungen in Abhängigkeit
von dem benötigten bzw. zu erzielenden Schub möglich.
Auch die Farbe der sonnenbestrahlten Flächen spielt insofern
eine Rolle, als durch die Farbe der Flächen unmittelbar deren
Temperatur bestimmt wird und damit auch die Austrittsarbeit
A der Elektronen unmittelbar beeinflußt wird. Ferner
spielt für die Verdampfungsrate des als Treibstoff gewählten,
ionisierbaren Stoffes, beispielsweise feinster Staub
aus organischen oder anorganischen Materialien, die Temperatur
eine wichtige Rolle.
Obwohl die Anzahl und die Gestaltung einer oder mehrerer
Zonen oder Bereiche in der sonnenbestrahlten Fläche, welche
der Aufnahme des Treibstoffmaterials in Form von leicht ablösbaren
und damit ionisierbaren Materialpartikeln oder Gaspartikeln
dienen, weitgehend beliebig ist, sollte gemäß
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die kontinuierliche
Versorgung oder Beschickung dieser Zonen oder Bereiche,
die beispielsweise die Form von Vertiefungen oder
Ausnehmungen der sonnenbestrahlten Fläche haben können, vom
Inneren des Raumfahrzeugs aus erfolgen.
Genauso sollte die in ihrer Form, Anordnung und Ausführung
weitgehend beliebige Gestaltung der Blendenanordnung zur
Minderung und Steuerung der Schubkraft des passiven Triebwerks
vom Raumfahrzeug aus erfolgen, wobei die entsprechenden
Steuerbefehle entweder per Funk übermittelt oder an Bord
automatisch ermittelt werden.
Claims (5)
1. Ionentriebwerk für Objekte im Weltraum, vorzugsweise in
Form von Raumfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet,
daß in einer sonnenbestrahlten Fläche des Raumfahrzeugs
Oberflächenzonen oder -bereiche mit einem leicht ablösbaren
und ionisierbaren Material in Form von kleinsten
Partikeln, wie vorzugsweise Staubpartikeln, oder in Form von
entsprechend leicht verdampfbarem Gas in einer ausreichenden
Menge vorgesehen sind, so daß von der sonnenbestrahlten Fläche
Photoelektronen freigesetzt werden, die vor dieser Fläche
eine Raumladung und damit ein Potential zwischen der
Fläche und der Raumladung aufbauen, und das durch elektrostatische
Kraftwirkung aus den Oberflächenzonen oder -bereichen
ionisierbare und leicht ablösbare Material in einer für
einen benötigten Schub erforderlichen Menge beschleunigen.
2. Ionentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine für den benötigten Schub erforderliche
Menge an leicht ablösbaren, ionisierten Staubpartikeln
oder leicht verdampfbaren Gasionen den in der sonnenbestrahlten
Fläche ausgebildeten Zonen oder Bereichen kontinuierlich
nachgeliefert wird.
3. Ionentriebwerk nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zonen oder Bereiche in der
sonnenbestrahlten Fläche in Form von Aussparungen oder Vertiefungen
mit entsprechenden Formen und Abmessungen ausgebildet
sind, und daß die Zonen oder Bereiche in der sonnenbestrahlten
Fläche vom Inneren des Raumfahrzeugs aus kontinuierlich
mit leicht ablösbaren und damit ionisierbaren Materialpartikeln
oder leicht verdampfbarem und ionisierbarem
Gas versorgbar sind.
4. Ionentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Änderung und damit
Steuerung des Triebwerkschubs die Größe der ionisierte Partikel
liefernden Oberflächenzonen oder -bereiche durch eine
Blendenanordnung variierbar ist.
5. Ionentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Änderung der Schubrichtung
des Triebwerks die gesamte sonnenbestrahlte Fläche einschließlich
deren ionisierte Partikel liefernden Aussparungen
um einen Winkel <90° gegenüber der Normalenstellung
zur Sonnenstrahlrichtung drehbar ist, wobei die Bestrahlungsstärke
und der davon abhängige geringere Schub durch
Öffnen von Blenden der Blendenanordnung völlig oder teilweise
kompensiert ist.
Priority Applications (2)
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Publications (2)
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DE3728011C2 DE3728011C2 (de) | 1990-07-05 |
Family
ID=6334243
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19873728011 Granted DE3728011A1 (de) | 1987-08-22 | 1987-08-22 | Ionentriebwerk |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP0304840A3 (de) |
DE (1) | DE3728011A1 (de) |
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Also Published As
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EP0304840A3 (de) | 1989-08-09 |
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Legal Events
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