Wenn wir an die Raumfahrt denken, neigen wir dazu, uns eine massive Rakete vorzustellen, die von der Erde abgefeuert wird, wobei riesige Feuer- und Rauchstrahlen aus dem Boden austreten, während die riesige Maschine darum kämpft, der Schwerkraft der Erde zu entkommen. Sobald ein Raumschiff seine Gravitationsbindung zur Erde unterbrochen hat, haben wir andere Möglichkeiten, sie mit Strom zu versorgen. Der in der Science-Fiction lange geträumte Ionenantrieb wird jetzt verwendet, um Sonden und Raumfahrzeuge auf langen Reisen durch den Weltraum zu senden.
Die NASA begann erstmals in den 1950er Jahren mit der Erforschung des Ionenantriebs. Im Jahr 1998 wurde der Ionenantrieb erfolgreich als Hauptantriebssystem eines Raumfahrzeugs eingesetzt und trieb den Deep Space 1 (DS1) auf seiner Mission zum Asteroiden 9969 Braille und Comet Borrelly an. DS1 wurde nicht nur entwickelt, um einen Asteroiden und einen Kometen zu besuchen, sondern um zwölf fortschrittliche Hochrisikotechnologien zu testen, darunter das Ionenantriebssystem selbst.
Ionenantriebssysteme erzeugen einen geringen Schub. Halten Sie neun Viertel in Ihrer Hand, spüren Sie, wie die Schwerkraft der Erde an ihnen zieht, und Sie haben eine Vorstellung davon, wie wenig Schub sie erzeugen. Sie können nicht zum Starten von Raumfahrzeugen aus Körpern mit starker Schwerkraft verwendet werden. Ihre Stärke liegt darin, im Laufe der Zeit weiterhin Schub zu erzeugen. Dies bedeutet, dass sie sehr hohe Höchstgeschwindigkeiten erreichen können. Ionentriebwerke können Raumfahrzeuge auf Geschwindigkeiten über 320.000 kp / h (200.000 mph) bringen, müssen jedoch lange in Betrieb sein, um diese Geschwindigkeit zu erreichen.
Ein Ion ist ein Atom oder ein Molekül, das ein Elektron verloren oder gewonnen hat und daher eine elektrische Ladung hat. Ionisation ist also der Prozess, bei dem ein Atom oder ein Molekül durch Hinzufügen oder Entfernen von Elektronen aufgeladen wird. Einmal geladen, möchte sich ein Ion in Bezug auf ein Magnetfeld bewegen. Das ist das Herzstück von Ionenantrieben. Bestimmte Atome sind dafür jedoch besser geeignet. Die Ionenantriebe der NASA verwenden normalerweise Xenon, ein Inertgas, da keine Explosionsgefahr besteht.
In einem Ionenantrieb ist das Xenon kein Kraftstoff. Es wird nicht verbrannt und hat keine inhärenten Eigenschaften, die es als Kraftstoff nützlich machen. Die Energiequelle für einen Ionenantrieb muss von woanders kommen. Diese Quelle kann Strom aus Solarzellen oder Strom aus Zerfallswärme eines Kernmaterials sein.
Ionen entstehen durch Beschuss des Xenongases mit energiereichen Elektronen. Einmal geladen, werden diese Ionen durch ihre Ladungen durch ein Paar elektrostatischer Gitter - Linsen genannt - gezogen und aus der Kammer ausgestoßen, wodurch Schub erzeugt wird. Diese Entladung wird als Ionenstrahl bezeichnet und erneut mit Elektronen injiziert, um ihre Ladung zu neutralisieren. Hier ist ein kurzes Video, das zeigt, wie Ionenantriebe funktionieren:
Im Gegensatz zu einer herkömmlichen chemischen Rakete, bei der ihr Schub durch die Menge an Treibstoff begrenzt ist, die sie transportieren und verbrennen kann, ist der von einem Ionenantrieb erzeugte Schub nur durch die Stärke ihrer elektrischen Quelle begrenzt. Die Menge an Treibmittel, die ein Fahrzeug tragen kann, in diesem Fall Xenon, ist ein zweitrangiges Problem. Das Raumschiff Dawn der NASA verwendete 27 Stunden lang nur 10 Unzen Xenon-Treibmittel - das ist weniger als eine Getränkedose.
Theoretisch gibt es keine Begrenzung für die Stärke der Stromquelle, die den Antrieb antreibt, und es wird daran gearbeitet, noch leistungsstärkere Ionentriebwerke als derzeit zu entwickeln. Im Jahr 2012 arbeitete das evolutionäre Xenon-Triebwerk (NEXT) der NASA über 43.000 Stunden bei 7000 W, verglichen mit dem Ionenantrieb auf DS1, der nur 2100 W verbrauchte. NEXT und Entwürfe, die es in Zukunft übertreffen werden, ermöglichen es Raumfahrzeugen, ausgedehnte Missionen zu mehreren Asteroiden, Kometen, den äußeren Planeten und ihren Monden durchzuführen.
Zu den Missionen mit Ionenantrieb gehören die NASA-Mission Dawn, die japanische Hayabusa-Mission zum Asteroiden 25143 Itokawa und die bevorstehenden ESA-Missionen Bepicolombo, die 2017 nach Merkur fliegen werden, sowie LISA Pathfinder, der niederfrequente Gravitationswellen untersuchen wird.
Mit der ständigen Verbesserung der Ionenantriebssysteme wird diese Liste nur noch wachsen.
