Vortrag zur Prüfung in „Neue Technologien elektrischer Energiewandler und Aktuatoren“:

1. Vortrag zur Prüfung in „Neue Technologien elektrischer Energiewandler und Aktuatoren“: Elektrische Raumfahrtantriebe: Prinzipien und Anwendung

2. Inhalt: • Definition und Überblick • Funktionsprinzipien • Vor- und Nachteile • realisierte Antriebe • Ausblick

3. Definition und Überblick • Definition von elektrischen Raumfahrtantrieben: • Triebwerk erzeugt Schub durch gerichtetes Ausstoßen eines Stütz- • mediums mit hoher Geschwindigkeit unter Einsatz elektrischer Energie • Primärenergiequelle ist nicht unmittelbar an Vortriebserzeugung • beteiligt, sondern liefert lediglich Betriebsenergie • Grundlegender Unterschied zu chemischen Triebwerken: • Energie wird nicht im Triebwerk mitgetragen und durch • Verbrennung freigesetzt • Primärenergie - elektrisches Zwischenglied - kinetische Strahlenenergie

4. Definition und Überblick Resistojet Elektrothermischer Antrieb [Lichtbogentriebwerk] Arcjet MPD-Eigenfeldtriebwerk Elektromagnetischer Antrieb [Plasmaantrieb, magnetogasdyn. ~] MPD-Fremdfeldtriebwerk Bombardement Hall-Ionentriebwerk Elektrostatischer Antrieb [Ionenantrieb] Radiofrequenz-Ionentriebwerk

5. Funktionsprinzipien • Elektrothermischer Antrieb: • Aufheizen des Treibstoffes (z.B. • Wasserstoff) und Entspannen über Düse • Ausführung Arcjet: • Erhitzen des Treibstoffs (Hydrazin) • per Lichtbogen auf 10 000K • stabförmige Kathode in Brennkammer, • Düsenhalseinsatz dient als Anode • einfacher Aufbau • Strahlgeschwindigkeit nur bis • 10 000 m/s; Wirkungsgrad ca. 30% Abb 1. Arcjet

6. Funktionsprinzipien • Elektromagnetischer Antrieb: • Ionisierung des Treibstoffes und Beschleunigung des • Plasmas durch Lorentzkräfte statt mittels Düse • Fremdfeldantrieb: • Ladungstrennung durch elektrisches Feld • senkrecht zum daraus resultierenden Strom liegt • ein Magnetfeld an, so daß Lorentzkraft wirkt und • Elektronen sowie Ionen in die gleiche Richtung • beschleunigt • Wirkungsgrad ca. 20%; hohe Schubdichte Abb 2. Elektromag- netischer Antrieb

7. Funktionsprinzipien • Elektromagnetischer Antrieb: • Ionisierung des Treibstoffes und Beschleunigung des • Plasmas durch Lorentzkräfte statt mittels Düse • Fremdfeldantrieb: • Ladungstrennung durch elektrisches Feld • senkrecht zum daraus resultierenden Strom liegt • ein Magnetfeld an, so daß Lorentzkraft wirkt und • Elektronen sowie Ionen in die gleiche Richtung • beschleunigt • Wirkungsgrad ca. 20%; hohe Schubdichte

8. Funktionsprinzipien • Elektromagnetischer Antrieb: • MPD-Eigenfeldbeschleuniger: • Ionisierung und Erhitzung des Treib- • stoffs durch Lichtbogen, der auch • Magnetfeld induziert • Lorentzkraft in (j x B)-Richtung • hat axiale Komponente, die mag- • netoplasmadynamischen Schubanteil • erzeugt • Wirkungsgrad ca. 50% Abb 3. MPD-Eigenfeldbeschleuniger

9. Funktionsprinzipien • Elektrostatischer Antrieb: • Ionisierung des Treibstoffs z.B. durch Gasentladung • schwere Ionen werden extrahiert und beschleunigt • (kein neutrales Plasma) • nach Beschleunigung werden dem Ionenstrahl • wieder Elektronen zugeführt • Wirkungsgrad bis 90% • Strahlgeschwindigkeiten bis 100 000 m/s • Schub: • idealer Treibstoff: • hohes Atomgewicht, leicht ionisier- und verdampfbar •  Kompromiß: Xenon • (teuer, dafür keine Kontamination) Abb 4. Schema Ionenantrieb

10. Funktionsprinzipien • Haupttypen der elektrostatischen Triebwerke: • Bombardment-Triebwerk: • Erzeugung des Plasmas durch Gleich- • stromentladung zwischen zentraler • Hohlkathode und Anodenring • Stoßwahrscheinlichkeit wird durch • aufspiralisierte Elektronenbahnen • (mittels Hilfsmagnete) erhöht • 2 löchrige Hochspannungselektroden • (Grids) beschleunigen erzeugte Ionen • bis 200mN Schub • hohe Wirkungsgrade • störanfällig • [USA, GB, Japan] Abb 5. Kaufman-Triebwerk

11. Funktionsprinzipien • Haupttypen der elektrostatischen Triebwerke: • Radiofrequenz-Ionentriebwerk: • Neutrales Xenongas strömt geregelt • in Entladungskammer • Kupferspule um Kammer koppelt Hoch- • frequenzfeld ein  el. Wirbelfeld • In Kammer zündet elektrodenlose • HF-RingentladungTeilionisierung • Ionen werden aus Entladungskammer • extrahiert und gemäß regelbarer Potential- • differenz zwischen G1 und G3 beschleunigt • Neutralsisator führt eine dem Ionen- • strom entsprechenden Elektronenstrom zu • [Entwicklung an Uni Gießen] Abb 6. Aufbau RIT

12. Funktionsprinzipien • Haupttypen der elektrostatischen Triebwerke: • Weitere Typen: • Feldemissionstriebwerk (FEEP) • Hall Ionen Triebwerk [Rußland, Frankreich] • Kontaktionentriebwerke

13. Vor- und Nachteile • Nachteile: • keine kurzzeitige Bahn- oder Richtungsänderungen sind nicht möglich, elektrische Triebwerke arbeiten über sehr lange Zeiträume (Monate) • da Treibstoff nur Stützmasse statt auch Energieträger ist, wird Energie-quelle benötigt  Leistungsbegrenzung • elektrische Triebwerke arbeiten nur im Vakuum des Weltalls, • keine Starts von der Erde möglich • erhöhte Verweildauern im Strahlungsgürtel, bei Anheben auf höhere Bahn • Vorteile: • kein Stufenprinzip notwendig, bei dem nur Bruchteile der Startmasse am Ziel ankommen (Apollo-Mission 0,16%) • keine Umwege durch Swingby-Verfahren, wie bei chem. Raketen nötig • rund 10 mal höhere Strahlgeschwindigkeiten als chemische Raketen (max. 4 800 m/s),bei denen der spezifische Heizwert beschränkt ist

14. Vor- und Nachteile • Vorteile: • bei gleichem Treibstoffanteil ergibt sich 10-faches Antriebsvermögen (~ Treibstoffgeschw.) gegenüber chem. Raketen • alternativ Einsparung von Treibstoff zugunsten der Nutzlast • Konsequenzen: • elektrische Triebwerke eignen sich nur für bestimmte Aufgaben • bei langen Missionen im schwerefreien Weltraum sind die Nachteile irrelevant • vorteilig kommt dagegen zum Tragen, daß sich hierbei die Nutzlast verdoppeln und die Flugzeit halbieren lassen • zur Kompensation von Bahnstörungen (Einfluß von Sonne, Mond) sind elektrische Triebwerke geeignet: • Korrekturimpuls = Treibstoffmasse mal Treibstoffgeschwindigkeit

15. realisierte Antriebe • Artemis: • Nachrichtensatellit (ESA), der mit vier Ionenantrieben zur Nord-Süd-Bahnkorrektur ausgestattet wurde (Start 2001) • wegen Fehler in Ariane 5-Oberstufe in 31 000 km Höhe gestrandet • RIT-10-Ionentriebwerk wurde genutzt, um Satellit auf 5000 km höhere Bahn zu bringen (die beiden anderen fielen aus) • 20 kg Treibstoff reichten aus; wegen geringen Schub: 10 Monate Dauer • trotz ungeplanten Treibstoffverbrauch: 5 Jahre Operationszeit •  sonst Abschreiben des 700 M€ teuren Satelliten (unversichert) • RIT-10-Triebwerk: • Gewicht: 1,2 kg • Treibstoff: Xenon • Verbrauch: 0,3 mg/s • Schub: 10 mN • el. Leistung: 340W • massenspezifischer • Impuls: 31000 m/s • Wirkungsgrad: 53 %

16. realisierte Antriebe • Deep Space 1 • erstmals mit Sonnenenergie gespeister Ionenantrieb • Solarzellen mit 23,4 % Wirkungsgrad und maximal 2,3 kW • Start am 24.10.98  Asteroid Braille (27.07.99)  Komet Borrelly (22.09.01) • Masse der Sonde: 486,3 kg • Treibstoff: 81,5 kg Xenon: 8000h Brenndauer • stufenlos drosselbares Kaufman-Triebwerk liefert 20-92mN Schub • Sonde wurde in 300 Tagen auf 13 000km/ h beschleunigt • 10 mal schneller als mit herkömmlichen Antrieb • hoher Wirkungsgrad (Antriebsimpuls pro Gramm Treibstoff) •  Treibstoffbedarf deutlich geringer als bei chem. Antrieb • (6-Tonnen-Triebwerk und 1000 kg Treibstoff)

17. Ausblick • Smart-1-Mission : • Mondsonde (350 kg) der ESA mit Ionenantrieb • Hall-Ionen-Triebwerk PPS-1350 von SNECMA •  Schub von 70 mN; 1350 W Stromverbrauch • Bepi-Colombo: • Merkur-Orbiter der ESA • Start gegen Ende des Jahrzehnts • Transport von Orbiter + Landegerät mittels Ionentriebwerke

18. Ausblick • Bisherige Anwendung elektrischer Antriebe: • bei der Lageregelung von Satelliten im geostationären Orbit bewährt • erste Sonden zu entfernteren Regionen im Sonnensystem mit Ionenantrieb • Plasmaquellen für die Simulation von Wiedereintrittsbedingungen (MPD) • elektrostatischer Antrieb hat den weitesten Entwicklungsstand erreicht: •  RIT-10-Aggregat von Prof. Löb: 20 000 h Volllast in Prüfstand • Künftige Verwendungsmöglichkeiten: • Marschantrieb für Bahnübergänge im Erdfeld (nach Start mit chem. Rakete) • interplanetare Flüge mit langen Missionszeiten und hoher Endgeschwindigkeit • Arcjet Triebwerke im Leistungsbereich von 5 bis 100 kW als Primärantriebe • für große Raumfahrtstrukturen (Universität Stuttgart) • regelmäßiger unbemannter Transport von Versorgungsgütern zum Mond • Beschränkung auf Spezialaufgaben, wo feine Schubsteuerung oder hohe Endgeschwindigkeiten von Interesse, hohe Schubbeschleunigung verzichtbar

19. Ende