DE3728011A1

DE3728011A1 - Ionentriebwerk

Info

Publication number: DE3728011A1
Application number: DE19873728011
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr Porsche
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1987-08-22
Filing date: 1987-08-22
Publication date: 1989-03-02
Also published as: EP0304840A2; EP0304840A3; DE3728011C2

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 dann

1/2 × m · v² = 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

v = (2 · Z · e · U/m) ^1/2 (2)

mit einem Impuls P von

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 zwar

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:

I = I₀ · η · F · cos α = Ne · (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.

Beispielsweise kann durch Einsetzen von entsprechenden Zahlenwerten in die vorstehend wiedergegebenen Gl. 1 bis 5, der erreichbare Schub abgeschätzt werden.

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.

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.

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%.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims

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.

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.

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.

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.

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.