DE3728011A1 - ION POWER PLANT - Google Patents

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.The invention relates to an ion engine for objects in Space, preferably in the form of spacecraft. Here the objects, such as spacecraft, are in space in areas where there are no atmospheric and plasmatic influences Charge surfaces positively.

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.As is well known, comets experience dust and ejection Gas non-gravitational forces, which for example again in evaluating observations and numerous Measured data on comet Halley has been confirmed. Such one Material ejection, for example, on a comet strongly influenced by electrostatic forces if not even triggered at all. The generation of such non-gravitational forces, for example on spacecraft can be used to drive them.

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.The development and construction of electrical or electronic Engines have been in a number of countries, for example in the U.S.A., the USSR, Japan, the Federal Republic Germany and in various other countries and applicable products. All these devices generally have an ion source, one between the ion source and an accelerating grid built potential and an electron source for neutralization of an ion beam. As a fuel here mercury used in many cases. This type of engine get their energy from an on-board network, which consists of powerful Power sources, for example in the form of solar cells,  radiothermal generators u. Ä., is fed. The achievable thrusts depend on the available standing and thus applicable voltage. In practice thrusts of up to about 1 N are achieved with such engines. Here are the main disadvantages of the previously used Engines in particular their high production costs, attributed to the very powerful power sources are.

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.The aim of the invention is therefore a particularly inexpensive manufacturable ion engine to create that largely maintenance-free and extremely reliable. According to this is the invention in an ion engine for objects in space, preferably in the form of spacecraft achieved the features in claim 1. Advantageous further training the invention are the subject of dependent claims.

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. In the ion engine according to the invention it has been assumed that that the charging of a spacecraft by - in Space undisturbed - radiation from the sun can be used to build up an ion accelerating potential is. To achieve this, according to a preferred embodiment of the invention in one of the permanent radiation surface of the spacecraft exposed to the sun Surface zones or areas with an easily removable and ionizable material in the form of tiny particles, such as preferably dust particles, or in the form of light evaporable gas is provided in a sufficient amount. In this embodiment of an ion engine according to the invention are then photoelectrons from the sun-exposed surface released the space charge in front of this area and thus a potential between the surface and the Build up space charge, and this through electrostatic force ionizable from the surface zones or areas and easily removable material in one for one needed Accelerate the thrust required quantities.  

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.If the area exposed to the radiation from the sun is an area F , the achievable irradiation power is I = I ₀ · F · cos α , where I ₀ is the solar constant and α is the angle of incidence of the solar radiation, ie the deviation from vertical solar radiation on the area F is.

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.The UV component η of this solar radiation leads to the detachment of electrons via the so-called external photo effect, ie to the positive charging of the surface F and thereby to the formation of a space charge in front of the sunlit side of the surface F. This creates a potential U. The potential U has a maximum if no shear-generating ions are released. However, the more ions are accelerated, the more the potential decreases. The optimum to be aimed for depends not only on the area ratio of the surface zones or areas, for example in the form of cutouts, to the entire sun-exposed area, but also on the various materials, such as the metal surface, the dust properties, etc.

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 dannIf the surface F now contains a number of surface zones in the form of recesses or depressions, with an easily removable and ionizable material, for example in the form of very small dust particles or with easily evaporable gas, this "material" is accelerated in the direction of a field E = degree U. . An achievable speed v of a particle of mass m is then

1/2 × m · v² = Z · e · U (1)1/2 × m · v ² = 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 if e is the elementary charge and Z is the charge number of the particle. By solving Eq. (1) gives the achievable speed v

v = (2 · Z · e · U/m) ^1/2 (2) v = (2 · Z · e · U / m) ^1/2 (2)

mit einem Impuls P vonwith a pulse P of

P = m · v = (2 · m · Z · e · U) ^1/2 (3) 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 zwarIf N particles are accelerated in this way every second, an accelerating force K is transmitted to the spacecraft, which has the sunlit area F , namely

K = N · m · v = N · (2 · m · Z · e · U) ^½ (4) 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:To maintain the potential U , however, a constant supply of photoelectrons is a necessary requirement. With a work function A for the photoelectrons, the following then results in maintaining the potential U :

I = I₀ · η · F · cos α = Ne · (e · U + A) < N · m · v²/2 (5) I. =I.₀ ·η ·F · Cosα =No  ·(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.Since the relation m » m _e applies to the mass m _{e of} an electron in relation to the mass m of material or gas particles, the ions in turn accelerate electrons when they penetrate the space charge, and a quasi-neutral plasma beam thus arises.

Beispielsweise kann durch Einsetzen von entsprechenden Zahlenwerten in die vorstehend wiedergegebenen Gl. 1 bis 5, der erreichbare Schub abgeschätzt werden.For example, by inserting appropriate numerical values in the eq. 1 to 5, the achievable thrust can be estimated.

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.According to Isensee and Maassberg (Adv. Space Res. 1, 413-416, 1981), a probe at a distance of one (1) astronomical unit (= 150 million km) from the sun has a potential of U = +3.8 V If Z = 1 and m ≈ 10 ^-20 kg (very fine dust) are selected, then 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. A single particle thus has a momentum of P = 1.1 × 10 ^-19 N · s. The solar constant in 1 AU is 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%.With vertical radiation and with η = 10 ^-2 , I = 14 W. With U ₀ = A / e ≈ 4 V, N _e ≈ 10 ¹⁹ m ^-2 · s ^-1 and thus N ≲ 10 ¹⁹ m ^-2 · Received s ^-1 . However, the quantum efficiency η ' has not yet been taken into account. For technical surfaces, it is between 1 and 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.If the ratio of the area of the cutouts for ionized particles to the total area is chosen to be 10%, the result is - based on the total area - 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.An accelerating recoil force of K ≈ 10 ^-3 N · m ^-2 is then obtained with a fuel consumption (for example very fine dust) of N · m ≈ 0.1 g · m ^-2 · s ^-1 . For dust with density ρ = 1000 kg · m ^-3 corresponds to a removal rate on an area of 0.1 m² per 1 m² base area of 10 ^-3 mm · s ^-1 . With a white awning, however, only a thrust of approximately 10 ^-5 N · m ^{-2 is} achieved.

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.According to an advantageous development of the invention, the thrust of a passive ion engine according to the invention can be changed in a simple manner in that an adjustable diaphragm arrangement is fitted over the sun-exposed surface. By changing the inclination of the surface with respect to the direction of solar radiation, directional control of the thrust is achieved, at the expense of a reduction in thrust by the factor cos α , the angle α also indicating the inclination of the irradiated surface F with respect to the vertical solar radiation.

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. In the practical execution of passive ion engines according to the invention the zones providing the ions can or areas in the sunlit area be round or angular. Although as flat as possible are preferred, are also curved or tortuous Areas with the required dimensions depending of the thrust required or to be achieved.  

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.The color of the sun-exposed surfaces also plays a role in that the temperature of the surfaces is directly determined by the color and thus the work function A of the electrons is also directly influenced. Furthermore, the temperature plays an important role in the evaporation rate of the ionizable substance chosen as the fuel, for example the finest dust from organic or inorganic materials.

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.Although the number and design of one or more Zones or areas in the sunlit area which the absorption of the fuel material in the form of easily removable and thus ionizable material particles or gas particles serve, largely arbitrary, should according to an advantageous development of the invention, the continuous Supply or loading of these zones or areas, which, for example, the shape of depressions or Recesses of the sunlit area can have from Inside the spacecraft.

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.The same should be true of their shape, arrangement and design largely any design of the panel arrangement Reduction and control of the thrust of the passive engine take place from the spacecraft, the corresponding Control commands either transmitted by radio or on board can be determined automatically.

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.1. Ion engine for objects in space, preferably in the form of spacecraft, characterized in that in a sun-exposed surface of the spacecraft surface zones or areas with an easily removable and ionizable material in the form of tiny particles, such as preferably dust particles, or in the form of accordingly easily evaporable gas are provided in a sufficient amount so that photoelectrons are released from the sun-irradiated surface, which build up a space charge in front of this surface and thus a potential between the surface and the space charge, and which can be ionized by electrostatic force from the surface zones or areas and accelerate easily removable material in an amount required for a required boost. 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.2. Ion engine according to claim 1, characterized in that that one required for the thrust needed Amount of easily removable, ionized dust particles or easily vaporizable gas ions in the sunlit Area trained zones or areas continuously is delivered later. 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.3. Ion engine according to claims 1 and 2, characterized in  that the zones or areas in the sun-exposed area in the form of recesses or depressions with appropriate shapes and dimensions and that the zones or areas in the sunlit Area continuously from inside the spacecraft with easily removable and thus ionizable material particles or easily vaporizable and ionizable Gas can be supplied. 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.4. Ion engine according to one of claims 1 to 3, characterized characterized that to change and thus Control engine thrust the size of the ionized particles supplying surface zones or areas by a Aperture arrangement is variable. 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.5. Ion engine according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that to change the thrust direction of the engine including the entire sun-exposed area their recesses providing ionized particles at an angle <90 ° to the normal position is rotatable to the direction of the sun's rays, the irradiance and the resulting lower thrust Opening of panels of the panel assembly completely or partially is compensated.