Institutsleiter

Prof. Dr.-Ing.
Stefanos Fasoulas

Stellvertreter

Prof. Dr.-Ing. Sabine Klinkner

Prof. Dr. rer. nat. Alfred Krabbe

Sekretariat
Prof. Fasoulas

Larissa Schunter

Sekretariat
Prof. Klinkner

Annegret Möller

Sekretariat
Prof. Krabbe

Barbara Klett

Administration

Dr. Thomas Wegmann

 


Institut für Raumfahrtsysteme
Pfaffenwaldring 29
70569 Stuttgart

Tel. +49 711 685-69604
Fax +49 711 685-63596

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Ionenantriebe

Übersicht

In elektrostatischen Triebwerken werden postitive geladene Teilchen, meist Ionen, mittels elektrischer Fleder beschleunigt (siehe nachfolgendes Schema). Man nennt diese Antriebe daher Ionentriebwerke (IT). Einen Sonderfall stellt das sogenannte Kolloidtriebwerk dar, bei dem geladene Tröpfchen beschleunigt werden. Bei Kolloidtriebwerken kam es jedoch zu Schwierigkeiten, da sich die organischen Treibstoffe, wie z.B. Glyzerin, unter Einfluß der Höhenstrahlung zersetzen. Daher werden diese Geräte zur Zeit nicht mehr entwickelt und hier auch nicht diskutiert. Der positiv geladene Teilchenstrom muß durch Zugabe von Elektronen außerhalb der Beschleunigungsstrecke neutralisiert werden.

Die verschiedenen Typen von Ionenantrieben unterscheiden sich hauptsächlich in der Art der Ionenerzeugung. Es gibt vier Haupttypen:

  • Kaufman-Triebwerk
  • Radiofrequenz-Ionen-Triebwerk (RIT)
  • Feldemissionstriebwerk (FET)
  • Kontaktionisationstriebwerk (KIT)

Kaufman-Triebwerk

Beim Kaufman-Triebwerk, das nach seinem Erfinder Prof. Kaufman, USA, benannt wurde, wird mit Hilfe einer Lichtbogenentladung ein Plasma erzeugt und die Ionen werden durch ein Gitter extrahiert, es wird daher auch als Elektronenstoß-Ionentriebwerk bezeichnet. Ein Magnetfeld hält das Plasma von den Wänden fern und erhöht die Ionenausbeute (siehe nachfolgendes Schema).

Als Kathoden werden meist Wolframhohl-kathoden benutzt, die in der Regel mit einem Schutzschild versehen sind, um eine Zerstörung durch Ioneneinschlag zu verhindern.
In den USA werden Kaufman-Triebwerke vor allem im NASA Lewis Research Center und im Hughes Research Laboratory entwickelt und getestet . Es werden Geräte mit Gitterdurchmessern zwischen ca. 10 cm und 50 cm gebaut. Dies entspricht einem Schubbereich von ca. 20 mN bis 0.6 N.

Kaufman-Triebwerke sind in den USA seit 1972 einsatzfähig. Es fanden bisher drei Flugexperimente statt: SERT I (Space Electric Rocket Test) und SERT II und auf dem ATS6 Satelliten; alle diese Experimente erfolgten mit Cäsium als Treibstoff. SERT II wurde auf einer AGENA-Stufe geflogen (3700h), es kam zum Kurzschluß wegen eines Gitterbruches. Auch das Experiment auf dem ATS6 Satelliten wurde auf Grund eines Kurzschlusses, wahrscheinlich herbeigeführt durch Cäsiumtropfen, abgebrochen.

1982 flog ein japanisches Kaufman-IT der 2 mN-Klasse mit Quecksilber als Treibstoff auf ETS-III (Engineering Test Satellite). Es arbeitete einige hundert Stunden erfolgreich. Es ist geplant, Anfang der 90er Jahre den Satelliten ETS VI mit einem Xenon-IT zur Lageregelung auszustatten.
Mitte der 70er Jahre wurde in Großbritannien die Entwicklung von Ionentriebwerken eingestellt und erst 1986 wieder aufgenommen. Es ist nun geplant, zwei englische IT und zwei RIT ca. 1995 auf ARTEMIS, einem experimentellen Nachrichtensatelliten der ESA, zu fliegen.

Darüber hinaus werden Kaufman-Triebwerke heute in der UdSSR und China entwickelt. In Deutschland wurde bei der DLR in Braunschweig bis 1974 an Kaufman-Triebwerken gearbeitet.

Hochfrequenz Ionentriebwerke

Beim Radiofrequenz-Ionen-Triebwerk RIT wird das Plasma elektrodenlos mittels Hoch-(Radio)-Frequenz erzeugt, um das Problem der Kathodenzerstäubung im Entladungsgefäß zu umgehen. Dieses Prinzip wurde von Prof. Löb, Universität Gießen, erfunden. RIT werden in Zusammenarbeit mit der Universität Gießen von MBB entwickelt und qualifiziert (siehe nachfolgendes Schema).

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RIT wurden mit Durchmessern der Gitter von 4 cm bis 35 cm gebaut und getestet, was einem Schubbereich von 2 mN bis 200 mN entspricht. Die ersten RIT wurden für Quecksilber als Treibstoff ausgelegt. Das RIT-10 mit einem Gitterdurchmesser von ca. 10 cm wurde mit diesem Treibstoff qualifiziert. Aus Gründen der Kontamination wurden jedoch in den letzten Jahren alle Geräte auf Xenon umgestellt.

Feldemissionstriebwerke (FEEP)

In Feldemissionstriebwerken werden geladene Teilchen, Ionen oder kolloide Tröpfchen, durch Feldemission erzeugt, d.h. sie werden durch Anlegen einer besonders hohen Spannung direkt aus dem flüssigen Treibstoff extrahiert. Da die für Kolloidtriebwerke in Frage kommenden organischen Treibstoffe nicht stabil genug sind, werden diese Geräte nicht mehr untersucht. Man versteht heute unter Feldemissionstriebwerken nur noch Ionentriebwerke.

Da bei Feldemissionstriebwerken die Austrittsgeschwindigkeiten extrem hoch sind (> 60 km/s) und wie für Kontaktionisationstriebwerke nur metallische Treibstoffe in Betracht kommen, ist auf Grund zu befürchtender Kontaminationsprobleme die Entwicklung auch dieser Geräte weitgehend eingestellt worden. Nur die ESA entwickelt zur Zeit zusammen mit SEP ein gepulstes Feldemissionstriebwerk für Regelungszwecke.

Kolloidionentriebwerke

Ionenbündel (Tröpfchen) können an scharfen Kanten oder Spitzen durch hohe elektrostatische Felder erzeugt und beschleunigt werden. Dieses Prinzip findet derzeit keine Anwendung.