Propulsão iônica

Teste de funcionamento de um motor de íon xenônio da NASA
Motor iônico NSTAR da sonda espacial Deep Space 1
A sonda espacial japonesa Hayabusa com propulsores de íons (à esquerda)

A propulsão iônica é um método de propulsão para espaçonaves ; um propulsor de íons usa o recuo de um feixe de íons gerado (neutralizado) para se mover. Dependendo da fonte de energia utilizada, é possível distinguir entre energia elétrica solar (engl. Propulsão Elétrica Solar , SEP) e propulsão elétrica nuclear ( Propulsão Elétrica Nuclear , NEP).

Os motores iônicos geram muito pouco empuxo para um lançamento de foguete diretamente da Terra , mas consomem menos massa de suporte do que os motores químicos. É por isso que eles são adequados como motores secundários para operação contínua com eficiência energética, especialmente para as longas trajetórias de sondas interplanetárias.

função

O feixe de íons é gerado pelas primeiras partículas de gás ionizante (por exemplo, xenônio ) ou gotículas minúsculas (por exemplo, mercúrio ) através de um cátodo . Eles são então acelerados em um campo elétrico . Depois de passar pelo chamado neutralizador , que realimenta o feixe de elétrons e o torna eletricamente neutro, as partículas são ejetadas na forma de um feixe.

O neutralizador é uma parte importante do sistema. Sem ele, ele ficaria carregado e o feixe se difundiria e retornaria à espaçonave em um arco. A força de atração entre os íons e o míssil consumiria o efeito de empuxo.

A potência de propulsão não está vinculada aos componentes do combustível reagente, como é o caso dos foguetes operando quimicamente, mas vem do campo eletromagnético aplicado. A energia para gerar os campos foi obtida até agora principalmente com a ajuda de células solares . Não existe combustível no sentido tradicional, mas a massa de suporte está perdida.

Em propulsores de íons de radiofrequência (RIT), o propulsor geralmente usa o gás nobre xenônio como massa de suporte. O gás de trabalho é ionizado por ionização por impacto de elétrons, na qual os elétrons livres são acelerados a energias de 3 a 10 elétron- volts por um campo de vórtice elétrico gerado  por uma bobina de indução enrolada ao redor do motor . A descarga de plasma resultante pertence à classe dos plasmas de baixa temperatura, que é usada em muitas áreas tecnológicas (inclusive para tubos fluorescentes). Os íons gerados pela ionização (carregados positivamente no caso do xenônio) são extraídos do motor por meio de um campo eletrostático através de um arranjo de grade, que, de acordo com a lei de conservação do momento , provoca empuxo na direção oposta do íons escapando.

Para o comissionamento bem-sucedido de um RIT, alguns dispositivos adicionais, como reguladores de fluxo de gás e fontes de energia, são necessários, os quais, por exemplo, fornecem as altas tensões necessárias para a extração . A alimentação da alta frequência de alto desempenho é normalmente obtida com uma topologia de meia ponte em um conversor de ressonância em série , pois isso permite altas eficiências elétricas que continuam a favorecer o gerenciamento térmico do satélite.

Tanto os processos físicos de plasma quanto a construção de sistemas de motores são objeto de pesquisa para muitas instituições e empresas relacionadas ao espaço em todo o mundo. A tecnologia RIT é representada comercialmente pela empresa ArianeGroup , por exemplo . Na Alemanha, além do ArianeGroup ( Lampoldshausen ), as universidades em Giessen ( Justus Liebig University em Giessen e a Universidade Técnica de Hesse Central ) e o Centro Aeroespacial Alemão em Göttingen se preocupam principalmente com esta tecnologia.

comparação

Em comparação com os motores de foguetes químicos convencionais , os acionamentos de íons anteriores têm um empuxo muito menor, no caso de acionamentos de sonda aproximadamente comparável ao peso de um cartão-postal (70 millinewtons ), mas com uma velocidade de saída do gás significativamente aumentada (10 a 130 km / s, protótipos de até 210 km / s) e uma duração de ação significativamente mais longa. A massa total da espaçonave deve, no entanto, ser mantida tão pequena quanto possível, a fim de alcançar acelerações suficientes e, portanto, tempos de empuxo aceitáveis ​​para a operação. A sonda SMART-1 pesa, por exemplo B. 367 kg e transportava 84 kg de xenônio como massa de suporte.

Um problema com os propulsores de íons é a necessidade de energia (com SMART-1 1300 W apenas para o propulsor). Apenas as células solares GaInP2 / GaAs / Ge de junção tripla mais recentes fornecem energia suficiente por área (com SMART-1 de aproximadamente 370  watts / m², eficiência de 27%) para fornecer drives de íons utilizáveis com um tamanho de painel solar razoável .

Dobrar a velocidade de saída de uma determinada massa requer quatro vezes mais energia. O objetivo da construção de uma unidade de íons é manter a massa de suporte necessária o mais baixa possível. De acordo com a equação básica do foguete, isso requer uma velocidade máxima de escoamento. A construção de uma unidade de íon é, portanto, sempre um compromisso entre os requisitos de energia e suporte de massa.

A vantagem da propulsão iônica sobre a propulsão química é que com o mesmo impulso total fornecido (isto é, a mudança na velocidade alcançada), menos massa de suporte é consumida porque a velocidade das partículas emergentes é muito maior. O impulso específico normalizado para a aceleração da gravidade é cerca de seis vezes maior nos propulsores iônicos disponíveis hoje com mais de 3000 s do que nos propulsores químicos com 470 s.

Os acionamentos de íons convencionais só funcionavam no vácuo. A força exercida pelos movimentos normais do ar é geralmente maior do que o impulso. Em novembro de 2018, cientistas do MIT apresentaram o desenvolvimento de um motor iônico que funciona na atmosfera.

Os propulsores de íons têm potências de entrada na faixa de watt a quilowatt e impulsos abaixo de 1 N. Portanto, os propulsores de íons só são adequados para transportar massas maiores se puderem trabalhar por um período mais longo (semanas, meses ou anos).

história

O princípio da propulsão iônica foi introduzido pelo pioneiro espacial Hermann Oberth em sua obra mais famosa "O Foguete para Espaços Planetários" já em 1923, em que descreveu a propulsão iônica que projetou pela primeira vez.

Na década de 1960, o césio ou mercúrio era usado como combustível nos experimentos iniciais , mas os componentes metálicos usados ​​para gerar íons rapidamente se corroeram . O maior problema era a corrosão de uma aresta afiada na qual os íons necessários eram gerados por meio da ionização de gotículas. Somente com o uso do gás nobre xenônio como combustível é que esse problema foi melhor administrado. Outras vantagens do xenônio são que, ao contrário dos metais, ele não precisa ser vaporizado, não é tóxico e pode ser facilmente transportado para o motor a partir de um tanque de gás pressurizado. A extração do césio normalmente sólido foi particularmente difícil na prática. Uma desvantagem em relação ao mercúrio é a menor massa atômica . Além disso, o xenônio requer energias de ionização mais altas do que os dois metais.

No motor RIT ( Radiofrequency Ion Thruster ), os íons são gerados pelo acoplamento indutivo de um sinal de alta freqüência, enquanto no motor eletrostático Kaufman o gás é ionizado por uma descarga de corrente contínua. O motor HET (engl. Propulsores de efeito Hall , Hall Drive ) ioniza o gás de acionamento com elétrons, que são guiados em um caminho circular. Um protótipo de um motor RIT funcionou pela primeira vez no satélite europeu EURECA em 1992 . O SMART-1 foi equipado com um motor HET.

Os propulsores de íons de hoje são adequados para duas aplicações principais devido à quantidade limitada de energia elétrica disponível:

  • Motor em marcha para sondas interplanetárias para os planetas Vênus e Mercúrio, que estão perto do Sol, uma vez que a energia solar ainda pode ser usada aqui durante longos períodos de impulso.
  • Propulsores de controle de órbita para grandes satélites em órbitas altas da Terra, uma vez que aqui as forças perturbadoras e os impulsos de correção necessários para compensá-los são muito pequenos.

Use em viagens espaciais

A primeira espaçonave movida a íons foi a Deep Space 1 . Deep Space 1 foi lançado em 1998 e tinha um motor NSTAR baseado no tipo Kaufman. A segunda sonda de propulsão iônica foi a Hayabusa , lançada pela JAXA em 2003. A terceira espaçonave de propulsão iônica foi a SMART-1, lançada pela ESA em 2003 e orbitando a lua. As missões Dawn de 2007 e Hayabusa 2 de 2014 e desde 2018 BepiColombo foram fortemente dependentes de propulsores iônicos . Em 1992, o satélite de teste EURECA tinha um motor experimental RIT ion RITA-10 da MBB / EADS a bordo. Em 2001, a ESA lançou o satélite Artemis , no qual dois novos tipos de propulsores de íons foram instalados em uma base de teste, que diferem na forma como os íons de xenônio são produzidos. O satélite cobriu os últimos 5000 km até a órbita geoestacionária planejada com a ajuda do motor iônico RIT-10 , que originalmente era destinado apenas para correção de órbita porque o estágio superior de seu Ariane 5 o colocou em uma órbita de geotransferência (GTO) também baixo um apogeu .

O propulsor de íons já se estabeleceu em muitos satélites de comunicações comerciais . Lá ele não serve como o principal motor para alcançar a órbita, mas como um motor de controle de caminho para a deriva norte-sul, já que o satélite tem que gerar cerca de 45 a 50 m / s de mudança de velocidade ( delta v ) por ano devido às influências gravitacionais do sol e da lua . O uso de propulsores iônicos para regular a órbita aumenta a vida útil dos satélites porque menos combustível é necessário porque o impulso específico é maior do que o dos propulsores químicos. O European Alphabus , o americano Boeing 702 e o chinês DFH-5 são ônibus satélites equipados com motores iônicos.

Os quatro Cubesats da NetSat têm drives de íons, então até mesmo satélites muito pequenos podem usar um drive de íons.

Implementação na atmosfera

Em novembro de 2018, o MIT conseguiu pela primeira vez mover um míssil na atmosfera usando um impulso de íons. Para tanto, foi construído um corpo semelhante a um avião com envergadura de 5 metros. Sob as asas estavam eletrodos aos quais uma voltagem de +20.000 volts foi aplicada. O nitrogênio do ar ionizado nos eletrodos . Os íons foram acelerados por uma voltagem aplicada de -20.000 volts nas asas. O tempo de vôo foi de 10 segundos e percorreu cerca de 60 metros em um pavilhão esportivo. De acordo com os cientistas envolvidos, a distância era limitada apenas pelo tamanho do salão. Atualmente não é possível transportar pessoas ou mercadorias. Como possíveis áreas de aplicação, os pesquisadores nomearam z. B. drones mais silenciosos.

Avanços

Veja também

literatura

  • Heinz Mielke : Tecnologia de voo espacial - uma introdução . Transpress VEB Verlag for Transport, Berlin 1974.
  • Dan M. Goebel et al.: Fundamentos de propulsão elétrica - propulsores de íons e Hall. Wiley, Hoboken 2008, ISBN 978-0-470-42927-3 .

Links da web

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Evidência individual

  1. ↑ Revelado o novo motor iônico superpotente . New Scientist, 18 de janeiro de 2006.
  2. ↑ a b Primeira aeronave movida a íons conclui o vôo de teste. In: wired.de. 22 de novembro de 2018. Recuperado em 27 de novembro de 2018 .
  3. ^ Ion drive: O primeiro vôo. In: vídeo da natureza ( Youtube ). 21 de novembro de 2018. Recuperado em 27 de novembro de 2018 .