WO2015155004A1 - Ion drive and method for operating an ion drive - Google Patents

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WO2015155004A1
WO2015155004A1 PCT/EP2015/056385 EP2015056385W WO2015155004A1 WO 2015155004 A1 WO2015155004 A1 WO 2015155004A1 EP 2015056385 W EP2015056385 W EP 2015056385W WO 2015155004 A1 WO2015155004 A1 WO 2015155004A1
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WO
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fuel
ion drive
diamondoid
reservoir
ion
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/056385
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Cheryl COLLINGWOOD
Patrick DIETZ
Waldemar GÄRTNER
Peter Klar
Peter KÖHLER
Peter R. Schreiner
Bruno Meyer
Original Assignee
Justus-Liebig-Universität Giessen
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Publication date
Application filed by Justus-Liebig-Universität Giessen filed Critical Justus-Liebig-Universität Giessen
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Publication of WO2015155004A1 publication Critical patent/WO2015155004A1/en

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0006—Details applicable to different types of plasma thrusters
    • F03H1/0012—Means for supplying the propellant

Definitions

  • the present invention relates to an ion drive for a spacecraft, in particular for a satellite. It further relates to a spacecraft, a method for operating an ion propulsion for a spacecraft, and a use of a diamondoid as fuel for an ion propulsion for a spacecraft, in particular for a satellite.
  • a key technology for the energy-efficient control and positioning of satellites are electric engines. Such systems are superior to conventional chemical drives in many fields. In particular, due to their low weight and the high jet speed electrical engines are preferably used for the control and positioning of satellites. In addition, the low mass of electric engines allows efficient use of the payload of launchers.
  • Electric drive systems in particular ion drives such as RIT (Radio Frequency Ion Thruster), Hall, Kaufmann or HEMP (High Efficiency Multi Stage Plasma) ion drives, for satellites are known from the prior art.
  • a gas is ionized (plasma formation) and accelerated by means of electric and / or magnetic fields.
  • a driving force also called thrust
  • the accelerated ions become ejected and then neutralized.
  • an impulse is transmitted to the satellite, creating a recoil.
  • the noble gas xenon is used as a fuel, since it has a relatively high atomic mass of 131 u (atomic mass unit, also called unified atomic mass unit) and good discharge properties.
  • the first ionization potential of xenon is 12.13 eV.
  • xenon is a colorless, non-toxic and extremely inert monatomic gas. From the patent DE 10 2008 058 212 B4 an ion drive is known, which is operated with the noble gas xenon.
  • xenon as fuel for ion engines has the disadvantage that it is very expensive. It can be assumed that with the increasing use of xenon - also in many other areas of technology, not only in electric drive technology - the price of xenon will continue to rise in the future.
  • a first aspect of the present invention relates to an ion propulsion for a spacecraft, in particular for a satellite, comprising a reservoir with a fuel; an ionization chamber connected to the reservoir; a generator for generating an electrostatic, magnetostatic and / or electromagnetic field inside the ionization chamber, the field being adapted to ionize the fuel; and a charge carrier acceleration system for generating an electric field suitable for accelerating the ionized fuel, the fuel containing a diamondoid.
  • the invention is based on the finding that other noble gases such as krypton or argon have been tested as fuel and do not have the desired requirements, in particular the desired drive / thrust performances, since both the krypton (83.8 u) and argon (39.9 u) are lower and the ionization potentials are higher than those of xenon. Even metals such as cesium or mercury are unsuitable. Although cesium and mercury have relatively high atomic masses and comparatively low ionization potentials, they have the disadvantage that they are toxic and, when used, lead to disadvantageous, metallic films on the spacecraft.
  • an ion drive which can be driven by a diamondoid.
  • Diamondoids are a group of polycyclic alkanes in which the carbon skeleton is comparable to the diamond structure.
  • Diamondoids are remarkably found to be particularly suitable for replacing xenon as a fuel in spacecraft electric engines based on charged ion extraction. Diamondoids have a particularly advantageous combination of high atomic mass and low ionization potential. Thus, the invention enables increased efficiency of the ion drive over the known drive systems described above. Also, a diamondoid as an alternative fuel is inexpensive, non-toxic and inert.
  • Diamondoids occur in a variety of modifications. The most common general formula for diamondoids is C 4n + 6 H 4n + 1 2 (where n is a non-zero natural number).
  • an embodiment provides that the fuel comprises at least one of the following group of diamondoids: adamantane (C 10 H 16 ), diamantane (C 14 H 20 ) and / or triamantane (C 18 H 24 ).
  • adamantane, diamantane and / or triamantane are used as fuel for the ion drive.
  • These embodiments have particularly good propellant properties for ion propulsion.
  • the atomic weight of adamantane is 136.2 u, that of diamantane 188 u and that of triamantane 240 u.
  • the atomic masses of all these embodiments are thus similar or higher than the atomic mass of xenon (131 .3 u).
  • adamantane, diamantane or triamantane then contribute, similar or higher, to the thrust performance of the ion drive.
  • the ionization properties of adamantane, diamantane or triamantane are also better than xenon as a fuel.
  • the ionisati onspotential of adamantane is 9.2 eV, that of Diamantan 8.8 eV and that of Triamantane 8.57 eV. Compared with the ionization potential of xenon, which is 12.13 eV, the efficiency of the ion drive can thus be improved.
  • a further advantage of these exemplary embodiments is that the second ionization stage in the case of adamantane, diamantane or triamantane is so high that the occurrence of doubly positively charged modifications or even higher stages - as is usual with xenon - is very unlikely.
  • adamantane forms the fuel for the ion drive.
  • the diamondoid is present as a fuel in the reservoir in a solid state of matter.
  • the fuel is thus stored in solid form, for example as a powder in the reservoir.
  • it In order to make the fuel usable in the operating state of the ion drive in this embodiment, it must be converted into the gaseous phase.
  • the use of a diamondoid has been found to be particularly advantageous, because a diamondoid can under the necessary phase transformation conditions, especially in the context of the necessary temperatures, by sublimation, d. H. be converted directly from a solid into a gaseous state without the prior generation of a liquid phase.
  • adamantane, diamantane and / or triamantane can sublimate from the solid state to the gaseous state in technically particularly suitable temperature intervals.
  • solids adamantane in a temperature range between 24 ° C and 85 ° C has a vapor pressure between 0.1 and 1 kPa , Since the fuel is stored in the reservoir in the solid state, can advantageously be dispensed with a complex gas pressure tank / high-pressure tank, which is essential in ion drives with xenon.
  • the reservoir comprises a container, in particular a vacuum-tight container.
  • the container is formed as a low-pressure tank with a pressure and a temperature sensor, wherein the pressure and temperature sensor are configured to detect a pressure value or a temperature value inside the container, in particular in the interior of the low-pressure tank. Moreover, it is then possible, based on these values, to regulate pressure and temperature inside the container by suitable means.
  • the ion drive comprises a controllable heating device which is configured to pressurize the container with an amount of heat which is suitable for heating the fuel inside the container and converting it from the solid state to a gaseous state of matter
  • the heater is formed as a heating wire which is wound around the container. When an electrical current flows through the heating wire, electrical energy is converted into heat energy due to electrical resistance in the heating wire which is then used to heat and sublimate the solid fuel inside the container.
  • a preferred embodiment provides that the ionization chamber is connected to the reservoir by means of a connecting line via a controllable valve, wherein the valve is designed to control a mass or volume flow of the sublimed fuel through the connecting line. In this case, therefore, a mass or volume flow of the gaseous diamondoid is controlled.
  • the connecting line and the valve in the connecting line are in communication with the heating device, such that the connecting line and / or the valve are heated, so that the gaseous diamondoid does not resublimate in the connecting line.
  • the connecting line is wrapped with a heating wire.
  • the charge carrier acceleration system comprises three grids, in particular a first grating, a second grating arranged downstream of the first grating, and a third grating.
  • the first grid serves as a screen grid (plasma gripper armature) and the second grid serves as an accelerating grid.
  • the third grid preferably forms a ground grid, which is then at ground potential.
  • a high voltage for generating an electrostatic field can preferably be applied by means of the high-voltage sources / high-voltage supply. With the help of the electrostatic field, the positively ionized fuel can be accelerated.
  • the ionized fuel is withdrawn from the ion drive chamber of the ion drive, in which case the pulse of the ejected, ionized beam transmits a recoil to the spacecraft so that the spacecraft is accelerated.
  • other drive systems may also be used, such as HET (Hall Effect Thruster) or HEMP (High Efficiency Multi Stage Plasma) drive systems.
  • HET Haten Effect Thruster
  • HEMP High Efficiency Multi Stage Plasma
  • a preferred embodiment provides an ion drive with a neutralizer.
  • the neutralizer is designed to neutralize the ionized fuel and to protect the spacecraft or the satellite from electrical charge.
  • the neutralizer for example, is designed to provide negative charge carriers, particularly electrons, which yield net charge and zero net current with the ejected ionized fuel.
  • the neutralizer ensures that the spacecraft or satellite also has a net charge of zero.
  • a preferred development of the ion drive additionally comprises a control device which is connected to the controllable valve, the controllable heating device, the charge carrier acceleration system and the generator in terms of control technology.
  • the control device is designed to control the heating device so that a certain temperature is set, in which the container is subjected to an amount of heat which is suitable to heat the fuel inside the container and from the solid state to the gaseous state to convict.
  • the connecting line and the valve are also heated with the heating device so that the gaseous diamondoid does not resublimate in the connecting line.
  • the control device is designed to control the valve such that a certain mass or volume flow of the sublimed, gaseous fuel is adjusted by the connecting line.
  • control device is set up to control the generator for setting a specific power of the alternating electric and / or electromagnetic field, suitable for the ionization of the fuel.
  • control device is configured to control the charge carrier acceleration system for applying a certain high voltage for the generation of an electric field, suitable for the acceleration of the ionized fuel.
  • a second aspect of the invention relates to a spacecraft comprising at least one ion drive according to the first aspect of the invention or one of its embodiments.
  • space vehicles are understood as meaning all devices which are designed to be moved by means of a drive outside and / or in an upper region of the earth's atmosphere.
  • such a spacecraft has multiple ion engines for thrust generation in different directions.
  • An economically particularly important field of application of the invention - but without limiting the invention - is a spacecraft in shape a satellite, which is a device designed to capture a desired orbit around a celestial body like the Earth.
  • other spacecraft such as spacecraft may be provided, which must also be maneuverable outside or in the upper part of the earth's atmosphere.
  • a third aspect of the invention relates to a method for operating an ion propulsion for a spacecraft, in particular a satellite, having a reservoir comprising a fuel, an ionization chamber, a generator for generating an electrostatic, magnetostatic and / or electromagnetic field inside the ionization chamber; and a charge carrier acceleration system for generating an electric field, wherein the fuel contains a diamondoid and the method comprises the steps of: transferring the diamondoid in the reservoir from a solid state to a gaseous state; Passing the gaseous diamondoid from the reservoir into the ionization chamber; Ionizing the gaseous diamondoid by means of the electrostatic, magnetostatic and / or electromagnetic field; and accelerating the ionized gaseous diamondoid by means of the electric field.
  • the method comprises ejecting the ionized gaseous diamondoid in order to generate a driving force for the spacecraft.
  • a preferred embodiment of the method provides that the method comprises heating the container by means of a controllable heating device, so that a temperature between 20 ° C and 250 ° C, preferably between 50 and 100 ° C and even more preferably between 62 and 85 ° C inside the container and set a vapor pressure of the fuel between 0.1 to 100 kPa.
  • a controllable heating device so that a temperature between 20 ° C and 250 ° C, preferably between 50 and 100 ° C and even more preferably between 62 and 85 ° C inside the container and set a vapor pressure of the fuel between 0.1 to 100 kPa.
  • it is preferably provided to regulate a vapor pressure of the fuel, in particular a mass flow, via a (vaporization) temperature of the fuel.
  • the charge carrier acceleration system is formed with a first, a second and a third grid, wherein to the first grid, a voltage in the range of 100 to 10000 V, to the second grid, a voltage in the range of +10000 to -2000 V and to the third grid a voltage in the range of -500 to +500 V are applied.
  • the method comprises generating the electrostatic, magnetostatic and / or electromagnetic field with a power between 1 W and 1 MW.
  • an embodiment provides that the ionization chamber is connected to the reservoir by means of a connecting line via a controllable valve and the method additionally comprises driving the controllable valve in the connecting line, so that a mass or volume flow of the gaseous diamondoid between 0.001 sccm and 1000 sccm sets.
  • the connecting line and the valve is designed to be heatable, so that the gaseous diamondoid does not resublimate in the connecting line.
  • An advantageous embodiment relates to a method for operating an ion drive according to the first aspect of the invention or one of the preferred embodiments.
  • a fourth aspect of the invention relates to a use of a diamondoid, in particular adamantane (C 10 H 16 ), diamantane (C 14 H 20 ) and / or triamantane (C 18 H 24 ), as
  • diamondoid thus replaces xenon as a fuel for ion drives.
  • Diamondoids in particular adamantane, diamantane or triamantane, have the unique combination of high atomic mass and low ionization potential.
  • the use according to the invention of a diamondoid as fuel for ion propulsion allows an increased degree of efficiency of the ion drive.
  • Diamantoid is inexpensive, non-toxic and inert.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a possible embodiment of an ion drive for a spacecraft, in particular a satellite,
  • FIG. 2 shows a schematic flow chart for a possible embodiment of a
  • Method for operating an ion propulsion for a spacecraft 3 shows a simulation for a comparison of the efficiency of an ion drive, wherein the ion drive is driven with different fuels
  • Fig. 5 a schematic representation of the structure of lower diamondoids.
  • the ion drive 1 shown here comprises an ionization chamber 2 with a chamber housing 2.1, the chamber housing 2.1 having an inlet 3 for introducing neutral gaseous fuel 10.2 into the ionization chamber 2 and an outlet 7 for ejecting ionized gaseous fuel 10.3 from the ionization chamber 2.
  • the ion drive 1 comprises a reservoir 1 1 with a fuel 10, wherein the fuel 10 in the reservoir 1 1 is preferably present as a neutral solid fuel 10.1.
  • the ionization chamber 2 and the reservoir 1 1 are connected by means of a gas-tight connection line 4.1, in which a valve 4.2 is arranged. Via the connection line 4.1 and the inlet 3, fuel can be conducted from the reservoir 11 into the ionization chamber 2, with the valve 4.2 open, which is then ionized in the ionization chamber 2.
  • the ionization chamber 2 is wrapped with a coil 5, which is in communication with a high-frequency generator 6.
  • an alternating electromagnetic field 14 can be generated in the interior of the ionization chamber 2 for the ionization of the introduced fuel.
  • a capacitor (not shown) may be provided, with which an electric field, in particular alternating field, can be generated.
  • an electric field in particular alternating field
  • it may also be provided to superimpose an electrostatic, a magnetostatic and an electromagnetic field, in particular an alternating field, for the ionization of the introduced fuel.
  • a charge carrier acceleration system 8 includes a first, second and third grid 8.1, 8.2 and 8.3.
  • the first grid 8.1 is preferred as a screen grid (plasma gripper armature) and the second grid 8.2 as formed an acceleration grid.
  • the third grid is formed as a Abbremsgitter. In an alternative embodiment (not shown) can be dispensed with the third grid.
  • a high voltage for generating an electrostatic field 15 can be applied by means of a high voltage supply 13.
  • the electrostatic field is generated without a grid system.
  • plasma ionized gas
  • the ion drive 1 includes a neutralizer 9.
  • the neutralizer 9 is configured to provide and eject charge carriers, particularly electrons, which then fly with and neutralize the ejected ionized fuel.
  • the neutralizer 9 may be arranged in the vicinity of the outlet 7 of the ionization chamber 2.
  • the ion drive 1 comprises a controllable heating device 12, for example a heating wire, which surrounds the reservoir 11, in particular the container 11.1.
  • the heating device 12 is configured such that reservoir 1 1, in particular the container 1 1, which is preferably designed as a vacuum-tight container, in particular as a stainless steel container, to apply a quantity of heat Q, so that the solid fuel inside the container is heated.
  • the fuel 10 in this case comprises a diamondoid, in particular adamantane, diamantane and / or triamantane, these being present in the reservoir 1 1 in the solid state of matter 10.1.
  • the fuel 10 inside the container 11 is heated so that the diamondoid is sublimated from the solid state of matter 10.1 into a gaseous state of aggregation 10.2.
  • the gaseous diamondoid 10.2 in particular the gaseous adamantane, diamantane and / or triamantane, is then conducted via the connection line 4.1 and the controllable valve 4.2 to the inlet 3 of the ionization chamber 2.
  • the controllable valve 4.1 in the connecting line 4.2 is designed such that a desired mass or volume flow of the gaseous diamondoid can be adjusted.
  • the ion drive 1 also comprises a control device 16 which is connected to the controllable valve 4.2, the controllable heating device 12, the charge carrier acceleration system. Tem 8 and the high-frequency generator 6 is tax technically in communication, such that the ion drive 1 can be operated automatically and self-sufficient.
  • the control device is designed to control the heater so that a certain temperature can be adjusted, in which the container with a quantity of heat is applied, which is suitable to heat the fuel inside the container and the solid state in the gaseous state to convict.
  • the control device is designed to control the valve so that a certain mass or volume flow of the sublimed, gaseous fuel can be adjusted by the connecting line.
  • the control device is also set up to control the high-frequency generator for setting a specific power of the alternating electric and / or electromagnetic field suitable for the ionization of the fuel. Moreover, the control device is also configured to drive the charge carrier acceleration system to apply a certain high voltage to generate an electric field suitable for the acceleration of the ionized fuel.
  • FIG. 2 shows a schematic flow diagram for a method for operating an ion drive, as illustrated and described, for example, in FIG. 1.
  • the reservoir in particular the container, is heated with a solid-state diamondoid by means of a controllable heating device 21.
  • the container is subjected to a quantity of heat Q, so that temperatures between 20 and 250 ° C, preferably set between 50 and 90 ° C and even more preferably between 62 and 85 ° C inside the container.
  • temperatures between 62 and 85 ° C are set inside the container.
  • the applied heat quantity Q which is provided by the heating 21
  • the solid-state diamondoid in the reservoir is converted from a solid state of aggregation into a gaseous state of aggregation. This process step is also referred to as sublimation 22.
  • the gaseous diamondoid is conducted into the ionization chamber via a connecting line and a correspondingly designed valve for controlling a mass or volume flow of the gaseous diamondoid in the connecting line then the gaseous diamondoid is ionized by means of an alternating electrical and / or electromagnetic field 24.
  • the ionized diamondoid is accelerated by means of an electrostatic field 25 and then expelled from the ionization chamber to produce a thrust for the spacecraft 26.
  • the momentum becomes of the outgoing, ionized diamondoid transferred to the spacecraft, so that the spacecraft is accelerated.
  • FIG. 3 shows a simulation for a comparison of the efficiency of an ion drive operated with various fuels, in the present case xenon (Xe), adamantane, diamantane or triamantane.
  • Xe xenon
  • adamantane adamantane
  • adamantane adamantane
  • a triamantane a singly charged gas
  • Fig. 4 shows a performance comparison for an ion drive with different extraction flows, wherein the ion drive is operated once with xenon and another time with adamantane as fuel.
  • the performance data of the ion drive, ie the injected power of the generator as a function of the gas flow were tested with an RF ion source.
  • a 3-grid system was used, with a positive high voltage applied to the first grid of 1250 V and a negative voltage of -150 V applied to the second grid.
  • the third grid was at ground potential.
  • the extraction currents, the coupled radio frequency power and the gas flow were measured.
  • Graphs 41 and 42 show the dependence of power on gas flow at a fixed extraction current of once 7.5 mA (for graph 41) and at another time of 10 mA (for the graph 42), whereby xenon was used as the fuel for the ion drive.
  • graphs 43 and 44 show the dependence of power on gas flow for a fixed extraction current of 7.5 mA (for graph 43) and 10 mA (for graph 44), this time using adamantane as fuel for ion drive.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of the structure of the three simplest diamondoids, namely adamantane, diamantane and triamantane.

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Abstract

The invention relates to an ion drive for a spacecraft, in particular for a satellite, comprising a reservoir with fuel; an ionization chamber connected to the reservoir; a generator for producing an electrostatic, magnetostatic and/or electromagnetic field the interior of the ionization chamber, wherein the field is suitable for ionizing the fuel; and a charge-carrier acceleration system for producing an electric field suitable for accelerating the ionized fuel, wherein the fuel contains a diamondoid. Moreover, the invention relates to a spacecraft comprising an ion drive, a method for operating an ion drive and the use of diamandoid as fuel for an ion drive.

Description

lonenantrieb und Verfahren zum Betreiben eines lonenantriebs  ion drive and method of operating an ion drive
Die vorliegende Erfindung betrifft einen lonenantrieb für ein Raumfahrzeug, insbesondere für einen Satelliten. Sie betrifft weiterhin ein Raumfahrzeug, ein Verfahren zum Betreiben eines lonenantriebs für ein Raumfahrzeug, sowie eine Verwendung eines Diamantoids als Treibstoff für einen lonenantrieb für ein Raumfahrzeug, insbesondere für einen Satelliten. The present invention relates to an ion drive for a spacecraft, in particular for a satellite. It further relates to a spacecraft, a method for operating an ion propulsion for a spacecraft, and a use of a diamondoid as fuel for an ion propulsion for a spacecraft, in particular for a satellite.
Eine Schlüsseltechnologie für die energieeffiziente Steuerung und Positionierung von Satelliten sind elektrische Triebwerke. Derartige Systeme sind konventionellen chemischen Antrieben in vielen Bereichen überlegen. Insbesondere auf Grund ihres geringen Gewichts sowie der hohen Strahlgeschwindigkeit werden elektrische Triebwerke bevorzugt für die Steuerung und Positionierung von Satelliten eingesetzt. Darüber hinaus erlaubt die geringe Masse elektrischer Triebwerke die Nutzlast von Trägerraketen effizient auszunutzen. A key technology for the energy-efficient control and positioning of satellites are electric engines. Such systems are superior to conventional chemical drives in many fields. In particular, due to their low weight and the high jet speed electrical engines are preferably used for the control and positioning of satellites. In addition, the low mass of electric engines allows efficient use of the payload of launchers.
Elektrische Antriebssysteme, insbesondere lonenantriebe wie zum Beispiel RIT- (Radiofrequency Ion Thruster), Hall-, Kaufmann- oder HEMP- (High Efficiency Multi Stage Plasma) lonenantriebe, für Satelliten sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bei den bekannten Antriebssystemen/Ionenantrieben wird ein Gas ionisiert (Plasmabildung) und mittels elektrischer und/oder magnetischer Felder beschleunigt. Um eine Antriebskraft, auch Schub genannt, für den Satelliten zu erzeugen, werden die beschleunigten Ionen ausgestoßen und anschließend neutralisiert. Beim Ausstoßen des beschleunigten Gases wird ein Impuls auf den Satelliten übertragen und erzeugt so einen Rückstoß. Electric drive systems, in particular ion drives such as RIT (Radio Frequency Ion Thruster), Hall, Kaufmann or HEMP (High Efficiency Multi Stage Plasma) ion drives, for satellites are known from the prior art. In the known drive systems / ion drives, a gas is ionized (plasma formation) and accelerated by means of electric and / or magnetic fields. To generate a driving force, also called thrust, for the satellite, the accelerated ions become ejected and then neutralized. As the accelerated gas expels, an impulse is transmitted to the satellite, creating a recoil.
Bevorzugt wird hierbei das Edelgas Xenon als Treibstoff verwendet, da es eine relativ hohe Atommasse von 131 u (atomare Masseneinheit, auch unified atomic mass unit genannt) und gute Entladungseigenschaften aufweist. Das erste lonisierungspotential von Xenon liegt bei 12,13 eV. Darüber hinaus ist Xenon ein farbloses, nicht toxisches und äußerst reaktionsträges einatomiges Gas. Aus der Patentschrift DE 10 2008 058 212 B4 ist ein lonenantrieb bekannt, welcher mit dem Edelgas Xenon betrieben wird. Preferably, the noble gas xenon is used as a fuel, since it has a relatively high atomic mass of 131 u (atomic mass unit, also called unified atomic mass unit) and good discharge properties. The first ionization potential of xenon is 12.13 eV. In addition, xenon is a colorless, non-toxic and extremely inert monatomic gas. From the patent DE 10 2008 058 212 B4 an ion drive is known, which is operated with the noble gas xenon.
Xenon als Treibstoff für lonenantriebe hat jedoch den Nachteil, dass es sehr teuer ist. Es ist davon auszugehen, dass mit zunehmender Verwendung von Xenon - auch in vielen anderen Technologiebereichen, nicht nur in der elektrischen Antriebstechnologie - der Preis für Xenon in der Zukunft weiter steigen wird. However, xenon as fuel for ion engines has the disadvantage that it is very expensive. It can be assumed that with the increasing use of xenon - also in many other areas of technology, not only in electric drive technology - the price of xenon will continue to rise in the future.
Es besteht daher ein Bedarf an einer kostengünstigen Alternative, insbesondere an einem Treibstoff für lonenantriebe, der vergleichbare oder sogar bessere Antriebsleistun- gen aufweist und darüber hinaus kostengünstiger ist. There is therefore a need for a cost-effective alternative, in particular for a fuel for ion drives, which has comparable or even better drive powers and, moreover, is more cost-effective.
Es wird deshalb stetig nach neuen Treibstoffen für lonenantriebe geforscht. So wird beispielsweise in der Patentschrift US 6,609,363 B1 vorgeschlagen, lod als Treibstoff für lonenantriebe zu verwenden. Auch lod hat sich jedoch als nachteilig erwiesen, da es starke korrosive Eigenschaften aufweist und somit zu Beschädigungen am Triebwerk und Raumfahrzeug führt. It is therefore constantly being researched for new fuels for ion drives. For example, US Pat. No. 6,609,363 B1 proposes using iodine as fuel for ion drives. However, iodine has also proved to be disadvantageous because it has strong corrosive properties and thus leads to damage to the engine and spacecraft.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen lonenantrieb für ein Raumfahrzeug, insbesondere für einen Satelliten, umfassend ein Reservoir mit einem Treibstoff; eine Ionisationskammer, die mit dem Reservoir verbunden ist; einen Generator zur Erzeugung eines elektrostatischen, magnetostatischen und/oder elektromagnetischen Feldes im Inneren der Ionisationskammer, wobei das Feld geeignet ist, den Treibstoff zu ionisieren; und ein Ladungsträgerbeschleunigungssystem zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, das geeignet ist, den ionisierten Treibstoff zu beschleunigen, wobei der Treibstoff ein Diamantoid enthält. A first aspect of the present invention relates to an ion propulsion for a spacecraft, in particular for a satellite, comprising a reservoir with a fuel; an ionization chamber connected to the reservoir; a generator for generating an electrostatic, magnetostatic and / or electromagnetic field inside the ionization chamber, the field being adapted to ionize the fuel; and a charge carrier acceleration system for generating an electric field suitable for accelerating the ionized fuel, the fuel containing a diamondoid.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass andere Edelgase wie zum Beispiel Krypton oder Argon als Treibstoff getestet wurden und nicht die gewünschten Anforderungen, insbesondere die gewünschten Antriebs-/Schubleistungen, aufweisen, da sowohl die atomaren Massen von Krypton (83,8 u) und Argon (39,9 u) niedriger als auch die lonisie- rungspotentiale höher als bei Xenon sind. Auch Metalle wie zum Beispiel Cäsium oder Quecksilber sind ungeeignet. Cäsium und Quecksilber weisen zwar relativ hohe Atommassen und vergleichsweise niedrige lonisationspotentiale auf, bergen aber den Nachteil, dass sie toxisch sind und bei ihrer Verwendung zu nachteiligen, metallischen Filmen auf dem Raumfahrzeug führen. The invention is based on the finding that other noble gases such as krypton or argon have been tested as fuel and do not have the desired requirements, in particular the desired drive / thrust performances, since both the krypton (83.8 u) and argon (39.9 u) are lower and the ionization potentials are higher than those of xenon. Even metals such as cesium or mercury are unsuitable. Although cesium and mercury have relatively high atomic masses and comparatively low ionization potentials, they have the disadvantage that they are toxic and, when used, lead to disadvantageous, metallic films on the spacecraft.
Erfindungsgemäß wird demgegenüber ein lonenantrieb bereitgestellt, der mit einem Diamantoid antreibbar ist. Diamantoide sind eine Stoffgruppe von polycyclischen Alka- nen, bei denen das Kohlenstoffgerüst vergleichbar der Diamantenstruktur ist. In contrast, according to the invention, an ion drive is provided which can be driven by a diamondoid. Diamondoids are a group of polycyclic alkanes in which the carbon skeleton is comparable to the diamond structure.
Diamantoide erweisen sich bemerkenswerter Weise als besonders geeignet, Xenon als Treibstoff in elektrischen Triebwerken für Raumfahrzeuge, die auf der Extraktion geladener Ionen basieren, zu ersetzen. Diamantoide weisen eine besonders vorteilhafte Kombination von hoher Atommasse und niedrigem lonisierungspotential auf. Damit ermöglicht die Erfindung eine erhöhte Effizienz des lonenantriebs gegenüber den eingangs beschriebenen bekannten Antriebssystemen. Auch ist ein Diamantoid als Alternativtreibstoff kostengünstig, nicht toxisch und reaktionsträge. Diamondoids are remarkably found to be particularly suitable for replacing xenon as a fuel in spacecraft electric engines based on charged ion extraction. Diamondoids have a particularly advantageous combination of high atomic mass and low ionization potential. Thus, the invention enables increased efficiency of the ion drive over the known drive systems described above. Also, a diamondoid as an alternative fuel is inexpensive, non-toxic and inert.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen lonenantriebs beschrieben. Hereinafter, preferred embodiments of the ion drive according to the invention will be described.
Diamantoide treten in einer Vielzahl von Modifikationen auf. Die gängigste allgemeinen Summenformel für Diamantoide ist C4n+6H4n+ 12 (wobei n aus der Reihe der natürlichen Zahlen ohne Null ist). Diamondoids occur in a variety of modifications. The most common general formula for diamondoids is C 4n + 6 H 4n + 1 2 (where n is a non-zero natural number).
Bevorzugt sieht eine Ausgestaltung vor, dass der Treibstoff wenigstens einen aus der folgenden Gruppe von Diamantoiden umfasst: Adamantan (C10H16), Diamantan (C14H20) und/oder Triamantan (C18H24). Bei dieser Ausgestaltung werden Adamantan, Diamantan und/oder Triamantan als Treibstoff für den lonenantrieb eingesetzt. Diese Ausführungsformen weisen besonders gute Treibstoffeigenschaften für einen lonenantrieb auf. So beträgt das Atomgewicht von Adamantan 136,2 u, das von Diamantan 188 u und das von Triamantan 240 u. Die Atommassen aller dieser Ausführungsbeispiele sind damit ähnlich oder höher als die Atommasse von Xenon (131 .3 u). Entsprechend ihren Atommassen tragen Adamantan, Diamantan oder Triamantan dann ähnlich oder höher zur Schubleistung des lonenantriebs bei. Auch die lonisationseigenschaften von Adamantan, Diamantan oder Triamantan sind gegenüber Xenon als Treibstoff besser. Das lonisati- onspotential von Adamantan beträgt 9.2 eV, das von Diamantan 8,8 eV und das von Triamantan 8.57 eV. Gegenüber dem lonisationspotential von Xenon, welches bei 12.13 eV liegt, kann somit die Effizienz des lonenantriebs verbessert werden. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsbeispiele liegt darin, dass die zweite lonisationsstufe bei Adamantan, Diamantan oder Triamantan so hoch liegt, dass das Auftreten von doppelt positiv geladenen Modifikationen oder gar noch höheren Stufen - wie sie bei Xenon üblich sind - sehr unwahrscheinlich ist. Preferably, an embodiment provides that the fuel comprises at least one of the following group of diamondoids: adamantane (C 10 H 16 ), diamantane (C 14 H 20 ) and / or triamantane (C 18 H 24 ). In this embodiment, adamantane, diamantane and / or triamantane are used as fuel for the ion drive. These embodiments have particularly good propellant properties for ion propulsion. Thus, the atomic weight of adamantane is 136.2 u, that of diamantane 188 u and that of triamantane 240 u. The atomic masses of all these embodiments are thus similar or higher than the atomic mass of xenon (131 .3 u). Depending on their atomic masses, adamantane, diamantane or triamantane then contribute, similar or higher, to the thrust performance of the ion drive. The ionization properties of adamantane, diamantane or triamantane are also better than xenon as a fuel. The ionisati onspotential of adamantane is 9.2 eV, that of Diamantan 8.8 eV and that of Triamantane 8.57 eV. Compared with the ionization potential of xenon, which is 12.13 eV, the efficiency of the ion drive can thus be improved. A further advantage of these exemplary embodiments is that the second ionization stage in the case of adamantane, diamantane or triamantane is so high that the occurrence of doubly positively charged modifications or even higher stages - as is usual with xenon - is very unlikely.
Gemäß einem derzeit besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel bildet Adamantan den Treibstoff für den lonenantrieb. Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Diamantoid als Treibstoff im Reservoir in einem festen Aggregatzustand vorliegt. Bei dieser Ausgestaltungsform wird der Treibstoff also in fester Form, beispielsweise als Pulver, im Reservoir gespeichert. Um den Treibstoff in dieser Ausführungsform dann im Betriebszustand des lonenantriebs verwendbar zu machen, muss er in die gasförmige Phase überführt wer- den. Auch hier hat sich die Verwendung eines Diamantoids als besonders vorteilhaft erwiesen, denn ein Diamantoid kann im Rahmen der notwendigen Phasenumwandlungsbedingungen, insbesondere im Rahmen der notwendigen Temperaturen, durch Sublimation, d. h. ohne das vorherige Erzeugen einer flüssigen Phase, direkt von einem festen in einen gasförmigen Aggregatszustand überführt werden. Insbesondere Adamantan, Diamantan und/oder Triamantan können in technisch besonders geeigneten Temperaturintervallen vom festen Aggregatzustand in den gasförmigen Aggregatzustand sublimie- ren. Beispielsweise weist feststoffförmiges Adamantan in einem Temperaturbereich zwischen 24 °C und 85 °C einen Dampfdruck zwischen 0,1 und 1 kPa auf. Da der Treibstoff im Reservoir im festen Aggregatzustand gespeichert ist, kann vorteilhafterweise auf einen aufwendigen Gasdrucktank/Hochdrucktank, welcher bei lonenantrieben mit Xenon unerlässlich ist, verzichtet werden. According to a presently particularly preferred embodiment, adamantane forms the fuel for the ion drive. In an expedient embodiment, it is provided that the diamondoid is present as a fuel in the reservoir in a solid state of matter. In this embodiment, the fuel is thus stored in solid form, for example as a powder in the reservoir. In order to make the fuel usable in the operating state of the ion drive in this embodiment, it must be converted into the gaseous phase. Again, the use of a diamondoid has been found to be particularly advantageous, because a diamondoid can under the necessary phase transformation conditions, especially in the context of the necessary temperatures, by sublimation, d. H. be converted directly from a solid into a gaseous state without the prior generation of a liquid phase. In particular, adamantane, diamantane and / or triamantane can sublimate from the solid state to the gaseous state in technically particularly suitable temperature intervals. For example, solids adamantane in a temperature range between 24 ° C and 85 ° C has a vapor pressure between 0.1 and 1 kPa , Since the fuel is stored in the reservoir in the solid state, can advantageously be dispensed with a complex gas pressure tank / high-pressure tank, which is essential in ion drives with xenon.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass das Reservoir einen Behälter, insbesondere einen vakuumdichten Behälter, umfasst. Diese Ausgestaltung erlaubt es den lonenantrieb konstruktiv einfacher und kostengünstiger herzustellen. Bevorzugt ist der Behälter als ein Niederdrucktank mit einem Druck- und einem Temperatursensor gebildet, wobei der Druck- und Temperatursensor konfiguriert sind, einen Druckwert bzw. einem Temperaturwert im Inneren des Behälters, insbesondere im Inneren des Niederdrucktanks, zu erfassen. Darüberhinaus besteht dann die Möglichkeit, auf Basis dieser Werte, Druck und Temperatur im Inneren des Behälters mit geeigneten Mitteln zu regeln. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der lonenantrieb eine steuerbare Heizvorrichtung umfasst, die konfiguriert ist, den Behälter mit einer Wärmemenge zu beaufschlagen, die geeignet ist, den Treibstoff im Inneren des Behälters zu erwärmen und von dem festen Aggregatzustand in einen gasförmigen Aggregatzustand zu überführen. In einem Beispiel einer solchen Ausgestaltung ist die Heizvorrichtung als ein Heizdraht gebildet, welcher um den Behälter gewickelt ist. Fließt durch den Heizdraht ein elektrischer Strom, so wird auf Grund des elektrischen Widerstandes im Heizdraht elektrische Energie in Wärmeenergie gewandelt, die dann verwendet wird, um den festen Treibstoff im Inneren des Behälters zu erwärmen und zu sublimieren. A preferred embodiment provides that the reservoir comprises a container, in particular a vacuum-tight container. This configuration allows the ion drive constructively simpler and cheaper to manufacture. Preferably, the container is formed as a low-pressure tank with a pressure and a temperature sensor, wherein the pressure and temperature sensor are configured to detect a pressure value or a temperature value inside the container, in particular in the interior of the low-pressure tank. Moreover, it is then possible, based on these values, to regulate pressure and temperature inside the container by suitable means. In an advantageous embodiment, it is provided that the ion drive comprises a controllable heating device which is configured to pressurize the container with an amount of heat which is suitable for heating the fuel inside the container and converting it from the solid state to a gaseous state of matter , In one example of such an embodiment, the heater is formed as a heating wire which is wound around the container. When an electrical current flows through the heating wire, electrical energy is converted into heat energy due to electrical resistance in the heating wire which is then used to heat and sublimate the solid fuel inside the container.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die Ionisationskammer mit dem Reservoir mittels einer Verbindungsleitung über ein steuerbares Ventil verbunden ist, wobei das Ventil ausgebildet ist, einen Massen- oder Volumenstrom des sublimierten Treibstoffs durch die Verbindungsleitung zu steuern. Hierbei wird also ein Massen- oder Volumenstrom des gasförmigen Diamantoids gesteuert. In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Verbindungsleitung und das Ventil in der Verbindungsleitung mit der Heizvorrichtung in Verbindung stehen, derart, dass die Verbindungsleitung und/oder das Ventil beheizt werden, so dass das gasförmige Diamantoid nicht in der Verbindungsleitung resublimiert. Beispielsweise ist hierbei die Verbindungsleitung mit einem Heizdraht umwickelt. A preferred embodiment provides that the ionization chamber is connected to the reservoir by means of a connecting line via a controllable valve, wherein the valve is designed to control a mass or volume flow of the sublimed fuel through the connecting line. In this case, therefore, a mass or volume flow of the gaseous diamondoid is controlled. In one embodiment, it is provided that the connecting line and the valve in the connecting line are in communication with the heating device, such that the connecting line and / or the valve are heated, so that the gaseous diamondoid does not resublimate in the connecting line. For example, in this case the connecting line is wrapped with a heating wire.
In einer Ausführungsform umfasst das Ladungsträgerbeschleunigungssystem drei Gitter, insbesondere ein erstes Gitter, ein dem ersten Gitter nachgeordnetes zweites Gitter und ein drittes Gitter. In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Art dient das erste Gitter als ein Schirmgitter (Plasmagrenzanker) und das zweite Gitter als ein Beschleunigungsgitter. Das dritte Gitter bildet bevorzugt ein Erdungsgitter, welches dann auf dem Erdpotential liegt. Zwischen dem ersten und zweiten Gitter ist bevorzugt mittels der Hochspannungsquellen/Hochspannungsversorgung eine Hochspannung zur Erzeugung eines elektrostatischen Feldes anlegbar. Mit Hilfe des elektrostatischen Feldes kann der positiv ionisierte Treibstoff beschleunigt werden. Der ionisierte Treibstoff wird aus der Ionisationskammer des lonenantriebes herausgezogen, wobei hierbei der Impuls des ausgestoßenen, ionisierten Strahls einen Rückstoß auf das Raumfahrzeug überträgt, so dass das Raumfahrzeug beschleunigt wird. Alternativ zu einem Ladungsträgerbeschleunigungssystem mit einem oder mehreren Gittersystemen können auch andere Antriebssysteme zum Einsatz kommen, wie zum Beispiel HET- (Hall Effect Thruster) oder HEMP- (High Effi- ciency Multi Stage Plasma) Antriebssysteme. Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht einen lonenantrieb mit einem Neutralisator vor. Der Neutralisator ist ausgebildet, den ionisierten Treibstoff zu neutralisieren und das Raumfahrzeug oder den Satelliten vor einer elektrischen Aufladung zu schützen. Der Neutralisator ist beispielsweise so ausgebildet, dass negative Ladungsträger, insbesondere Elektronen, bereitgestellt werden, die mit dem ausgestoßenen, ionisierten Treibstoff eine Netto-Ladung und einen Netto-Strom von Null ergeben. Zusätzlich wird durch den Neutralisator sichergestellt, dass auch das Raumfahrzeug oder der Satellit eine Nettoladung von Null aufweist. In one embodiment, the charge carrier acceleration system comprises three grids, in particular a first grating, a second grating arranged downstream of the first grating, and a third grating. In a preferred embodiment of this type, the first grid serves as a screen grid (plasma gripper armature) and the second grid serves as an accelerating grid. The third grid preferably forms a ground grid, which is then at ground potential. Between the first and second grid, a high voltage for generating an electrostatic field can preferably be applied by means of the high-voltage sources / high-voltage supply. With the help of the electrostatic field, the positively ionized fuel can be accelerated. The ionized fuel is withdrawn from the ion drive chamber of the ion drive, in which case the pulse of the ejected, ionized beam transmits a recoil to the spacecraft so that the spacecraft is accelerated. As an alternative to a charge carrier acceleration system with one or more grid systems, other drive systems may also be used, such as HET (Hall Effect Thruster) or HEMP (High Efficiency Multi Stage Plasma) drive systems. A preferred embodiment provides an ion drive with a neutralizer. The neutralizer is designed to neutralize the ionized fuel and to protect the spacecraft or the satellite from electrical charge. The neutralizer, for example, is designed to provide negative charge carriers, particularly electrons, which yield net charge and zero net current with the ejected ionized fuel. In addition, the neutralizer ensures that the spacecraft or satellite also has a net charge of zero.
Eine bevorzugte Weiterbildung des lonenantriebs umfasst zusätzlich eine Steuervorrichtung, die mit dem steuerbaren Ventil, der regelbaren Heizvorrichtung, dem Ladungsträgerbeschleunigungssystem und dem Generator steuertechnisch in Verbindung steht. In dieser Ausgestaltungsform ist die Steuervorrichtung ausgebildet die Heizvorrichtung derart anzusteuern, so dass eine bestimmte Temperatur eingestellt wird, bei welcher der Behälter mit einer Wärmemenge beaufschlagt wird, die geeignet ist, den Treibstoff im Inneren des Behälters zu erwärmen und vom festen Aggregatzustand in den gasförmigen Aggregatzustand zu überführen. Hierbei kann bevorzugt vorgesehen sein, dass mit der Heizvorrichtung auch die Verbindungsleitung und das Ventil beheizt werden, so dass das gasförmige Diamantoid nicht in der Verbindungsleitung resublimiert. Weiter ist die Steuervorrichtung ausgebildet, das Ventil derart anzusteuern, dass ein bestimmter Massenoder Volumenstrom des sublimierten, gasförmigen Treibstoffs durch die Verbindungsleitung eingestellt wird. Auch ist die Steuervorrichtung eingerichtet, den Generator zum Einstellen einer bestimmten Leistung des elektrischen und/oder elektromagnetischen Wechselfeldes, geeignet für die Ionisation des Treibstoffes, anzusteuern. Darüber hinaus ist die Steuervorrichtung konfiguriert, das Ladungsträgerbeschleunigungssystem zum Anlegen einer bestimmten Hochspannung für die Erzeugung eines elektrischen Feldes, geeignet für die Beschleunigung des ionisierten Treibstoffes, anzusteuern. A preferred development of the ion drive additionally comprises a control device which is connected to the controllable valve, the controllable heating device, the charge carrier acceleration system and the generator in terms of control technology. In this embodiment, the control device is designed to control the heating device so that a certain temperature is set, in which the container is subjected to an amount of heat which is suitable to heat the fuel inside the container and from the solid state to the gaseous state to convict. In this case, it can preferably be provided that the connecting line and the valve are also heated with the heating device so that the gaseous diamondoid does not resublimate in the connecting line. Further, the control device is designed to control the valve such that a certain mass or volume flow of the sublimed, gaseous fuel is adjusted by the connecting line. Also, the control device is set up to control the generator for setting a specific power of the alternating electric and / or electromagnetic field, suitable for the ionization of the fuel. In addition, the control device is configured to control the charge carrier acceleration system for applying a certain high voltage for the generation of an electric field, suitable for the acceleration of the ionized fuel.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Raumfahrzeug, das mindestens einen lonenantrieb gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung oder einem seiner Ausführungsbeispiele umfasst. Unter Raumfahrzeugen werden vorliegend alle Vorrichtungen verstanden, die ausgebildet sind, mittels eines Antriebs außerhalb und/oder in einem oberen Bereich der Erdatmosphäre bewegt zu werden. A second aspect of the invention relates to a spacecraft comprising at least one ion drive according to the first aspect of the invention or one of its embodiments. In the present case, space vehicles are understood as meaning all devices which are designed to be moved by means of a drive outside and / or in an upper region of the earth's atmosphere.
Bevorzugt hat ein solches Raumfahrzeug mehrere lonenantriebe zur Schuberzeugung in unterschiedlichen Richtungen. Ein wirtschaftlich besonders wichtiges Anwendungsfeld der Erfindung - aber ohne Einschränkung der Erfindung - ist ein Raumfahrzeug in Form eines Satelliten, also eine Vorrichtung, die für die Einnahme einer gewünschten Umlaufbahn um einen Himmelskörper wie die Erde konstruiert wurde. Es können jedoch auch andere Raumfahrzeuge wie Raumfähren vorgesehen sein, welche ebenfalls außerhalb oder im oberen Bereich der Erdatmosphäre manövrierbar sein müssen. Preferably, such a spacecraft has multiple ion engines for thrust generation in different directions. An economically particularly important field of application of the invention - but without limiting the invention - is a spacecraft in shape a satellite, which is a device designed to capture a desired orbit around a celestial body like the Earth. However, other spacecraft such as spacecraft may be provided, which must also be maneuverable outside or in the upper part of the earth's atmosphere.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines lonenantriebs für ein Raumfahrzeug, insbesondere einen Satelliten, mit einem Reservoir umfassend einen Treibstoff, eine Ionisationskammer, ein Generator zur Erzeugung eines elektrostatischen, magnetostatischen und/oder elektromagnetischen Feldes im Inneren der Ionisationskammer; und ein Ladungsträgerbeschleunigungssystem zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, wobei der Treibstoff ein Diamantoid enthält und das Verfahren folgende Schritte aufweist: Überführen des Diamantoids im Reservoir von einem festen Aggregatzustand in einen gasförmigen Aggregatzustand; Leiten des gasförmigen Diamantoids von dem Reservoir in die Ionisationskammer; Ionisieren des gasförmigen Diamantoids mittels des elektrostatischen, magnetostatischen und/oder elektromagnetischen Feldes; und Beschleunigen des ionisierten gasförmigen Diamantoids mittels des elektrischen Feldes. A third aspect of the invention relates to a method for operating an ion propulsion for a spacecraft, in particular a satellite, having a reservoir comprising a fuel, an ionization chamber, a generator for generating an electrostatic, magnetostatic and / or electromagnetic field inside the ionization chamber; and a charge carrier acceleration system for generating an electric field, wherein the fuel contains a diamondoid and the method comprises the steps of: transferring the diamondoid in the reservoir from a solid state to a gaseous state; Passing the gaseous diamondoid from the reservoir into the ionization chamber; Ionizing the gaseous diamondoid by means of the electrostatic, magnetostatic and / or electromagnetic field; and accelerating the ionized gaseous diamondoid by means of the electric field.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines lonenantriebs für ein Raumfahrzeug beschrieben. In the following, preferred embodiments of the method according to the invention for operating an ion propulsion for a spacecraft will be described.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Verfahren ein Ausstoßen des ionisierten gasförmigen Diamantoids zur Erzeugung einer Antriebskraft für das Raumfahrzeug umfasst. In an expedient embodiment of the method according to the invention, it is provided that the method comprises ejecting the ionized gaseous diamondoid in order to generate a driving force for the spacecraft.
Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Verfahren ein Heizen des Behälters mittels einer steuerbaren Heizvorrichtung aufweist, so dass sich eine Temperatur zwischen 20 °C und 250 °C, bevorzugt zwischen 50 und 100 °C und noch mehr bevorzugt zwischen 62 und 85 °C im Inneren des Behälters und ein Dampfdruck des Treibstoffes zwischen 0,1 bis 100 kPa einstellen. Hierbei ist es bevorzugt vorgesehen, einen Dampfdruck des Treibstoffes, insbesondere einen Massenfluss, über eine (Verdampfungs-)Temperatur des Treibstoffes zu regeln. A preferred embodiment of the method provides that the method comprises heating the container by means of a controllable heating device, so that a temperature between 20 ° C and 250 ° C, preferably between 50 and 100 ° C and even more preferably between 62 and 85 ° C inside the container and set a vapor pressure of the fuel between 0.1 to 100 kPa. In this case, it is preferably provided to regulate a vapor pressure of the fuel, in particular a mass flow, via a (vaporization) temperature of the fuel.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Ladungsträgerbeschleunigungssystem mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Gitter gebildet ist, wobei an das erste Gitter eine Spannung im Bereich von 100 bis 10000 V, an das zweite Gitter eine Spannung im Bereich von +10000 bis -2000 V und an das dritte Gitter eine Spannung im Bereich von -500 bis +500 V angelegt werden. Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Verfahren ein Erzeugen des elektrostatischen, magnetostatischen und/oder elektromagnetischen Feldes mit einer Leistung zwischen 1 W und 1 MW aufweist. In an advantageous embodiment of the method, it is provided that the charge carrier acceleration system is formed with a first, a second and a third grid, wherein to the first grid, a voltage in the range of 100 to 10000 V, to the second grid, a voltage in the range of +10000 to -2000 V and to the third grid a voltage in the range of -500 to +500 V are applied. A preferred embodiment of the method provides that the method comprises generating the electrostatic, magnetostatic and / or electromagnetic field with a power between 1 W and 1 MW.
Bevorzugt sieht eine Ausgestaltung vor, dass die Ionisationskammer mit dem Reservoir mittels einer Verbindungsleitung über ein steuerbares Ventil verbunden ist und das Verfahren zusätzlich ein Ansteuern des steuerbaren Ventiles in der Verbindungsleitung umfasst, so dass sich ein Massen- oder Volumenstrom des gasförmigen Diamantoids zwischen 0.001 sccm und 1000 sccm einstellt. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Verbindungsleitung und das Ventil beheizbar ausgebildet, so dass das gasförmige Diamantoid in der Verbindungsleitung nicht resublimiert. Preferably, an embodiment provides that the ionization chamber is connected to the reservoir by means of a connecting line via a controllable valve and the method additionally comprises driving the controllable valve in the connecting line, so that a mass or volume flow of the gaseous diamondoid between 0.001 sccm and 1000 sccm sets. In a preferred embodiment, the connecting line and the valve is designed to be heatable, so that the gaseous diamondoid does not resublimate in the connecting line.
Eine vorteilhafte Ausgestaltungsform betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines lonenan- triebs gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung oder einem der bevorzugten Ausführungsbeispiele. An advantageous embodiment relates to a method for operating an ion drive according to the first aspect of the invention or one of the preferred embodiments.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung von einem Diamantoid, insbe- sondere Adamantan (C10H16), Diamantan (C14H20) und/oder Triamantan (C18H24), alsA fourth aspect of the invention relates to a use of a diamondoid, in particular adamantane (C 10 H 16 ), diamantane (C 14 H 20 ) and / or triamantane (C 18 H 24 ), as
Treibstoff für einen lonenantrieb für ein Raumfahrzeug, insbesondere einen Satelliten.Fuel for an ion propulsion for a spacecraft, in particular a satellite.
Die erfindungsgemäße Verwendung von Diamantoid ersetzt damit Xenon als Treibstoff für lonenantriebe. Diamantoide, insbesondere Adamantan, Diamantan oder Triamantan, weisen die einzigartige Kombination aus hoher Atommasse und niedrigem lonisierungs- potential auf. Damit erlaubt die erfindungsgemäße Verwendung von einem Diamantoid als Treibstoff für lonenantrieb einen erhöhten Grad an Effizienz des lonenantriebes. Auch ist Diamantoid kostengünstig, nicht toxisch und reaktionsträge. The use according to the invention of diamondoid thus replaces xenon as a fuel for ion drives. Diamondoids, in particular adamantane, diamantane or triamantane, have the unique combination of high atomic mass and low ionization potential. Thus, the use according to the invention of a diamondoid as fuel for ion propulsion allows an increased degree of efficiency of the ion drive. Also Diamantoid is inexpensive, non-toxic and inert.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen von Ausführungsbeispielen, wobei auf die folgenden Figuren Bezug genommen wird. Im Einzelnen zeigen: Further features and advantages of the invention will become apparent from the following descriptions of exemplary embodiments, reference being made to the following figures. In detail show:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltungsform eines lonenantriebes für ein Raumfahrzeug, insbesondere einen Satelliten, 1 shows a schematic representation of a possible embodiment of an ion drive for a spacecraft, in particular a satellite,
Fig. 2: ein schematisches Ablaufdiagram für eine mögliche Ausgestaltung eines 2 shows a schematic flow chart for a possible embodiment of a
Verfahrens zum Betreiben eines lonenantriebes für ein Raumfahrzeug, Fig. 3: eine Simulation für einen Vergleich der Effizienz eines lonenantriebes, wobei der lonenantrieb mit verschiedenen Treibstoffen angetrieben wird, Method for operating an ion propulsion for a spacecraft, 3 shows a simulation for a comparison of the efficiency of an ion drive, wherein the ion drive is driven with different fuels,
Fig. 4: einen Leistungsvergleich für einen lonenantrieb mit verschiedenen Extraktionsströmen, wobei der lonenantrieb einmal mit Xenon und ein anderes Mal mit Adamantan als Treibstoff betrieben wird, und 4 shows a performance comparison for an ion drive with different extraction flows, wherein the ion drive is operated once with xenon and another time with adamantane as fuel, and
Fig. 5: eine schematische Darstellung der Struktur von niederen Diamantoiden. Fig. 5: a schematic representation of the structure of lower diamondoids.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltungsform für einen lonenantrieb 1 . Der dargestellte lonenantrieb 1 umfasst vorliegend eine Ionisationskammer 2 mit einem Kammergehäuse 2.1 , wobei das Kammergehäuse 2.1 einen Einlass 3 zum Einleiten von neutralem gasförmigen Treibstoff 10.2 in die Ionisationskammer 2 und einen Auslass 7 zum Ausstoßen von ionisiertem gasförmigen Treibstoff 10.3 aus der Ionisationskammer 2 aufweist. Darüber hinaus umfasst der lonenantrieb 1 ein Reservoir 1 1 mit einem Treibstoff 10, wobei der Treibstoff 10 im Reservoir 1 1 vorzugsweise als neutraler feststoffförmiger Treibstoff 10.1 vorliegt. 1 shows a schematic representation of a possible embodiment of an ion drive 1. The ion drive 1 shown here comprises an ionization chamber 2 with a chamber housing 2.1, the chamber housing 2.1 having an inlet 3 for introducing neutral gaseous fuel 10.2 into the ionization chamber 2 and an outlet 7 for ejecting ionized gaseous fuel 10.3 from the ionization chamber 2. In addition, the ion drive 1 comprises a reservoir 1 1 with a fuel 10, wherein the fuel 10 in the reservoir 1 1 is preferably present as a neutral solid fuel 10.1.
Die Ionisationskammer 2 und das Reservoir 1 1 sind mittels einer gasdichten Verbindungsleitung 4.1 , in welcher ein Ventil 4.2 angeordnet ist, verbunden. Über die Verbindungsleitung 4.1 und den Einlass 3 kann - bei geöffnetem Ventil 4.2 - Treibstoff vom Reservoir 1 1 in die Ionisationskammer 2 geleitet werden, der dann in der Ionisationskammer 2 ionisiert wird. Hierfür ist die Ionisationskammer 2 mit einer Spule 5 umwickelt, die mit einem Hochfrequenzgenerator 6 in Verbindung steht. Mittels des Generators 6 und der Spule 5 kann ein elektromagnetisches Wechselfeld 14 im Inneren der Ionisationskammer 2 zur Ionisation des eingebrachten Treibstoffes erzeugt werden. Alternativ oder ergänzend zu einer Spule 5 kann auch ein Kondensator (nicht dargestellt) vorgesehen sein, mit welchem ein elektrisches Feld, insbesondere Wechselfeld, erzeugt werden kann. Hierbei kann es auch vorgesehen sein, ein elektrostatisches, ein magnetostatisches und ein elektromagnetisches Feld, insbesondere Wechselfeld, zur Ionisation des eingebrachten Treibstoffes zu überlagern. The ionization chamber 2 and the reservoir 1 1 are connected by means of a gas-tight connection line 4.1, in which a valve 4.2 is arranged. Via the connection line 4.1 and the inlet 3, fuel can be conducted from the reservoir 11 into the ionization chamber 2, with the valve 4.2 open, which is then ionized in the ionization chamber 2. For this purpose, the ionization chamber 2 is wrapped with a coil 5, which is in communication with a high-frequency generator 6. By means of the generator 6 and the coil 5, an alternating electromagnetic field 14 can be generated in the interior of the ionization chamber 2 for the ionization of the introduced fuel. Alternatively or in addition to a coil 5, a capacitor (not shown) may be provided, with which an electric field, in particular alternating field, can be generated. In this case, it may also be provided to superimpose an electrostatic, a magnetostatic and an electromagnetic field, in particular an alternating field, for the ionization of the introduced fuel.
An einem dem Einlass 3 gegenüberliegenden Ende der Ionisationskammer 2 ist ein Auslass 7 vorgesehen. An dem Auslass 7 grenzt ein Ladungsträgerbeschleunigungssystem 8 umfassend ein erstes, zweites und drittes Gitter 8.1 , 8.2 und 8.3. Das erste Gitter 8.1 ist bevorzugt als ein Schirmgitter (Plasmagrenzanker) und das zweite Gitter 8.2 als ein Beschleunigungsgitter gebildet. Das dritte Gitter ist als ein Abbremsgitter ausgebildet. In einer alternativen Ausgestaltungsform (nicht dargestellt) kann auch auf das dritte Gitter verzichtet werden. Zwischen dem ersten und zweiten Gitter 8.1 , 8.2 kann mittels einer Hochspannungsversorgung 13 eine Hochspannung zur Erzeugung eines elektrostati- sehen Feldes 15 angelegt werden. In einer weiteren alternativen Ausgestaltungsform (nicht dargestellt) wird das elektrostatische Feld ohne Gittersystem erzeugt. Mit Hilfe des elektrostatischen Feldes 15 wird der ionisierte Treibstoff beschleunigt und anschließend aus der Ionisationskammer 2 des lonenantriebes 1 für das Raumfahrzeug 100 ausgestoßen, wobei hierbei der Impuls des ausströmenden ionisierten Gases (Plasmas = ionisier- tes Gas) einen Rückstoß auf das Raumfahrzeug 100 überträgt, so dass das Raumfahrzeug 100 beschleunigt wird. At an opposite end of the inlet 3 of the ionization chamber 2, an outlet 7 is provided. At the outlet 7, a charge carrier acceleration system 8 includes a first, second and third grid 8.1, 8.2 and 8.3. The first grid 8.1 is preferred as a screen grid (plasma gripper armature) and the second grid 8.2 as formed an acceleration grid. The third grid is formed as a Abbremsgitter. In an alternative embodiment (not shown) can be dispensed with the third grid. Between the first and second grids 8.1, 8.2, a high voltage for generating an electrostatic field 15 can be applied by means of a high voltage supply 13. In a further alternative embodiment (not shown), the electrostatic field is generated without a grid system. With the help of the electrostatic field 15, the ionized fuel is accelerated and then expelled from the ionization chamber 2 of the ion drive 1 for the spacecraft 100, wherein in this case the pulse of the outflowing ionized gas (plasma = ionized gas) transmits a recoil to the spacecraft 100, so that the spacecraft 100 is accelerated.
Darüber hinaus umfasst der lonenantrieb 1 einen Neutralisator 9. Der Neutralisator 9 ist konfiguriert, dass er Ladungsträger, insbesondere Elektronen, bereitstellen und ausstoßen kann, die dann mit dem ausgestoßenen ionisierten Treibstoff fliegen und diesen neutralisieren. In einer möglichen Ausgestaltungsform kann der Neutralisator 9 in der Nähe des Auslasses 7 der Ionisationskammer 2 angeordnet sein. In addition, the ion drive 1 includes a neutralizer 9. The neutralizer 9 is configured to provide and eject charge carriers, particularly electrons, which then fly with and neutralize the ejected ionized fuel. In one possible embodiment, the neutralizer 9 may be arranged in the vicinity of the outlet 7 of the ionization chamber 2.
Weiter umfasst der lonenantrieb 1 eine steuerbare Heizvorrichtung 12, beispielswiese einen Heizdraht, der das Reservoir 1 1 , insbesondere den Behälter 1 1 .1 umwickelt. Die Heizvorrichtung 12 ist dabei derart konfiguriert, dass Reservoir 1 1 , insbesondere den Behälter 1 1 , welcher bevorzugt als ein vakuumdichter Behälter, insbesondere als ein Edelstahlbehälter, ausgebildet ist, mit einer Wärmemenge Q zu beaufschlagen, so dass der feste Treibstoff im Inneren des Behälters erwärmt wird. Der Treibstoff 10 umfasst hierbei ein Diamantoid, insbesondere Adamantan, Diamantan und/oder Triamantan, wobei diese im Reservoir 1 1 im festen Aggregatzustand 10.1 vorliegen. Mittels der von der Heizvorrichtung 12 beaufschlagten Wärmemenge Q wird der Treibstoff 10 im Inneren des Behälters 1 1 .1 erwärmt, so dass das Diamantoid vom festen Aggregatzustand 10.1 in einen gasförmigen Aggregatzustand 10.2 sublimiert wird. Das gasförmige Diamantoid 10.2, insbesondere das gasförmige Adamantan, Diamantan und/oder Triamantan, wird dann über die Verbindungsleitung 4.1 und das steuerbare Ventil 4.2 zum Einlass 3 der Ionisationskammer 2 geführt. Das steuerbare Ventil 4.1 in der Verbindungsleitung 4.2 ist derart ausgebildet, dass ein gewünschter Massen- oder Volumenstrom des gasförmigen Diamantoids eingestellt werden kann. Furthermore, the ion drive 1 comprises a controllable heating device 12, for example a heating wire, which surrounds the reservoir 11, in particular the container 11.1. The heating device 12 is configured such that reservoir 1 1, in particular the container 1 1, which is preferably designed as a vacuum-tight container, in particular as a stainless steel container, to apply a quantity of heat Q, so that the solid fuel inside the container is heated. The fuel 10 in this case comprises a diamondoid, in particular adamantane, diamantane and / or triamantane, these being present in the reservoir 1 1 in the solid state of matter 10.1. By means of the quantity of heat Q applied by the heating device 12, the fuel 10 inside the container 11 is heated so that the diamondoid is sublimated from the solid state of matter 10.1 into a gaseous state of aggregation 10.2. The gaseous diamondoid 10.2, in particular the gaseous adamantane, diamantane and / or triamantane, is then conducted via the connection line 4.1 and the controllable valve 4.2 to the inlet 3 of the ionization chamber 2. The controllable valve 4.1 in the connecting line 4.2 is designed such that a desired mass or volume flow of the gaseous diamondoid can be adjusted.
Auch umfasst der lonenantrieb 1 eine Steuervorrichtung 16, die mit dem steuerbaren Ventil 4.2, der steuerbaren Heizvorrichtung 12, dem Ladungsträgerbeschleunigungssys- tem 8 und dem Hochfrequenzgenerator 6 steuertechnisch in Verbindung steht, derart, dass der lonenantrieb 1 automatisch und autark betrieben werden kann. Hierbei ist die Steuervorrichtung ausgebildet die Heizvorrichtung derart anzusteuern, dass eine bestimmte Temperatur eingestellt werden kann, bei welcher der Behälter mit einer Wärme- menge beaufschlagt wird, die geeignet ist, den Treibstoff im Inneren des Behälters zu erwärmen und vom festen Aggregatzustand in den gasförmigen Aggregatzustand zu überführen. Weiter ist die Steuervorrichtung ausgebildet, das Ventil derart anzusteuern, dass ein bestimmter Massen- oder Volumenstrom des sublimierten, gasförmigen Treibstoffs durch die Verbindungsleitung eingestellt werden kann. Auch ist die Steuervorrich- tung eingerichtet, den Hochfrequenzgenerator zum Einstellen einer bestimmten Leistung des elektrischen und/oder elektromagnetischen Wechselfeldes, geeignet für die Ionisation des Treibstoffes, anzusteuern. Darüber hinaus ist die Steuervorrichtung auch konfiguriert, das Ladungsträgerbeschleunigungssystem zum Anlegen einer bestimmten Hochspannung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, geeignet für die Beschleunigung des ionisierten Treibstoffes, anzusteuern. The ion drive 1 also comprises a control device 16 which is connected to the controllable valve 4.2, the controllable heating device 12, the charge carrier acceleration system. Tem 8 and the high-frequency generator 6 is tax technically in communication, such that the ion drive 1 can be operated automatically and self-sufficient. Here, the control device is designed to control the heater so that a certain temperature can be adjusted, in which the container with a quantity of heat is applied, which is suitable to heat the fuel inside the container and the solid state in the gaseous state to convict. Further, the control device is designed to control the valve so that a certain mass or volume flow of the sublimed, gaseous fuel can be adjusted by the connecting line. The control device is also set up to control the high-frequency generator for setting a specific power of the alternating electric and / or electromagnetic field suitable for the ionization of the fuel. Moreover, the control device is also configured to drive the charge carrier acceleration system to apply a certain high voltage to generate an electric field suitable for the acceleration of the ionized fuel.
Die Fig. 2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagram für ein Verfahren zum Betreiben eines lonenantriebs, wie er beispielsweise in der Fig. 1 dargestellt und beschrieben ist. FIG. 2 shows a schematic flow diagram for a method for operating an ion drive, as illustrated and described, for example, in FIG. 1.
Hierbei wird zunächst das Reservoir, insbesondere der Behälter, mit einem feststoffför- migen Diamantoid mittels einer steuerbaren Heizvorrichtung beheizt 21 . Hierbei wird der Behälter mit einer Wärmemenge Q beaufschlagt, so dass sich Temperaturen zwischen 20 und 250 °C, bevorzugt zwischen 50 und 90 °C und noch mehr bevorzugt zwischen 62 und 85 °C im Inneren des Behälters einstellen. Insbesondere wenn Adamantan als Treibstoff verwendet wird, werden Temperaturen zwischen 62 und 85 °C im Inneren des Behälters eingestellt. Mittels der aufgebrachten Wärmemenge Q, die durch das Heizen 21 bereitgestellt wird, wird das feststoffförmige Diamantoid im Reservoir von einem festen Aggregatzustand in einen gasförmigen Aggregatzustand überführt. Dieser Verfahrensschritt wird auch als Sublimieren 22 bezeichnet. Nach dem das Diamantoid vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand überführt wurde, wird das gasförmige Diamantoid über eine Verbindungsleitung und ein entsprechend ausgebildetes Ventil, zum Steuern eines Massen- oder Volumenstroms des gasförmigen Diamantoids in der Verbindungsleitung, in die Ionisationskammer geleitet 23. In der Ionisationskammer wird dann das gasförmige Diamantoid mittels eines elektrischen und/oder elektromagnetischen Wechselfeldes ionisiert 24. Nach der Ionisation 24 wird das ionisierte Diamantoid mittels eines elektrostatischen Feldes beschleunigt 25 und anschließend zur Erzeugung eines Schubes für das Raumfahrzeug aus der Ionisationskammer ausgestoßen 26. Hierbei wird der Impuls des ausströmenden, ionisierten Diamantoids auf das Raumfahrzeug übertragen, so dass das Raumfahrzeug beschleunigt wird. In this case, first the reservoir, in particular the container, is heated with a solid-state diamondoid by means of a controllable heating device 21. In this case, the container is subjected to a quantity of heat Q, so that temperatures between 20 and 250 ° C, preferably set between 50 and 90 ° C and even more preferably between 62 and 85 ° C inside the container. In particular, when adamantane is used as fuel, temperatures between 62 and 85 ° C are set inside the container. By means of the applied heat quantity Q, which is provided by the heating 21, the solid-state diamondoid in the reservoir is converted from a solid state of aggregation into a gaseous state of aggregation. This process step is also referred to as sublimation 22. After the diamondoid has been transferred from the solid to the gaseous state of matter, the gaseous diamondoid is conducted into the ionization chamber via a connecting line and a correspondingly designed valve for controlling a mass or volume flow of the gaseous diamondoid in the connecting line then the gaseous diamondoid is ionized by means of an alternating electrical and / or electromagnetic field 24. After ionization 24, the ionized diamondoid is accelerated by means of an electrostatic field 25 and then expelled from the ionization chamber to produce a thrust for the spacecraft 26. Hereby the momentum becomes of the outgoing, ionized diamondoid transferred to the spacecraft, so that the spacecraft is accelerated.
Fig. 3 zeigt eine Simulation für einen Vergleich der Effizienz eines lonenantriebes, der mit verschiedenen Treibstoffen, vorliegend Xenon (Xe), Adamantan, Diamantan oder Triamantan, betrieben wird. Der Schub T (in [N]) eines lonenantriebes für ein Raumfahrzeug ergibt sich - unter der Annahme eines einfach geladenes Gases (Ladung q = e) - aus der folgenden Formel: FIG. 3 shows a simulation for a comparison of the efficiency of an ion drive operated with various fuels, in the present case xenon (Xe), adamantane, diamantane or triamantane. The thrust T (in [N]) of a spacecraft ion propulsion, assuming a singly charged gas (charge q = e), results from the following formula:
T= lb (2M/e Ub)1 2 , wobei lb der lonenstrahlstrom (in [A]), M die Masse (in [kg]) und Ub die Beschleunigungs- Spannung (in [V]) ist. Es zeigt sich, dass die Masse M und die Beschleunigungsspannung Ub wurzeiförmig in den Schub T eingehen. Drückt man dieses Verhalten durch die Effizienz eines Triebwerks als Funktion des spezifischen Impulses l_sp aus, so ergeben sich die in der Fig. 3 gezeigten Abhängigkeiten zwischen Effizienz und spezifischen Impuls für die verschiedenen Treibstoffe, insbesondere Xenon (Xe), Adamantan, Diamantan und Triamantan. T = l b (2M / e U b ) 1 2 , where l b is the ion beam current (in [A]), M is the mass (in [kg]) and U b is the acceleration voltage (in [V]). It can be seen that the mass M and the acceleration voltage U b enter into the thrust T as a root. Expressing this behavior by the efficiency of an engine as a function of the specific momentum I_sp results in the dependencies between efficiency and specific momentum shown in FIG. 3 for the various fuels, in particular xenon (Xe), adamantane, diamantane and triamantane.
Es hat sich gezeigt, dass sich Xenon und Adamantan sehr ähnlich verhalten. Demgegenüber haben Diamantan und Triamantan bei spezifischen Impulsen zwischen 1000 s und 2000 s (typische Anforderungen für eine Mission) eine um 40 bis 60% höhere Effizienz gegenüber Xenon. Mit Diamantoid als Alternativtreibstoff können also nicht nur die Kos- ten reduziert werden, sondern es kann gleichzeitig auch die Effizienz des Antriebssystems gesteigert werden. It has been shown that xenon and adamantane behave very similarly. In contrast, at specific pulses between 1000 s and 2000 s (typical mission requirements), diamantane and triamantane have 40 to 60% greater efficiency over xenon. With Diamantoid as alternative fuel not only the costs can be reduced, but at the same time the efficiency of the drive system can be increased.
Fig. 4 zeigt einen Leistungsvergleich für einen lonenantrieb mit verschiedenen Extraktionsströmen, wobei der lonenantrieb einmal mit Xenon und ein anderes Mal mit Adamantan als Treibstoff betrieben wird. Die Performance Daten des lonenantriebs, d. h. die eingespeiste Leistung des Generators als Funktion des Gasflusses wurden mit einer RF-Ionenquelle getestet. Hierbei wurde ein 3-Gittersystem verwendet, wobei eine positive Hochspannung am ersten Gitter von 1250 V und eine negative Spannung von -150 V am zweiten Gitter angelegt wurde. Das dritte Gitter lag auf Erdpotential. Es wurden die Extraktionsströme, die eingekoppelte Radiofrequenzleistung und der Gasfluss gemessen. Der Graphen 41 und 42 zeigen die Abhängigkeit der Leistung vom Gasfluss bei einem festen Extraktionsstrom von einmal 7,5 mA (für den Graph 41 ) und ein anderes Mal von 10 mA (für den Graph 42), wobei hierbei Xenon als Treibstoff für den lonenantrieb verwendet wurde. Fig. 4 shows a performance comparison for an ion drive with different extraction flows, wherein the ion drive is operated once with xenon and another time with adamantane as fuel. The performance data of the ion drive, ie the injected power of the generator as a function of the gas flow were tested with an RF ion source. A 3-grid system was used, with a positive high voltage applied to the first grid of 1250 V and a negative voltage of -150 V applied to the second grid. The third grid was at ground potential. The extraction currents, the coupled radio frequency power and the gas flow were measured. Graphs 41 and 42 show the dependence of power on gas flow at a fixed extraction current of once 7.5 mA (for graph 41) and at another time of 10 mA (for the graph 42), whereby xenon was used as the fuel for the ion drive.
Demgegenüber zeigen die Graphen 43 und 44 die Abhängigkeit der Leistung vom Gasfluss für einen festen Extraktionsstrom von 7,5 mA (für den Graph 43) und von 10 mA (für den Graph 44), wobei diesmal Adamantan als Treibstoff für den lonenantrieb verwendet wurde. In contrast, graphs 43 and 44 show the dependence of power on gas flow for a fixed extraction current of 7.5 mA (for graph 43) and 10 mA (for graph 44), this time using adamantane as fuel for ion drive.
Die in der Fig. 4 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass Xenon und Adamantan als Treibstoff für lonenantriebe ähnlich gute Leistung-/Performance-Werte zeigen. The results shown in FIG. 4 show that xenon and adamantane as fuel for ion propulsion systems show similarly good performance / performance values.
Die Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung der Struktur der drei einfachsten Diamantoide, nämlich Adamantan, Diamantan und Triamantan. Fig. 5 shows a schematic representation of the structure of the three simplest diamondoids, namely adamantane, diamantane and triamantane.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 lonenantrieb 1 ion drive
2 Ionisationskammer  2 ionization chamber
2.1 Kammergehäuse 2.1 chamber housing
3 Einlass 3 inlet
4.1 Verbindungsleitung  4.1 connection line
4.2 Steuerventil  4.2 Control valve
5 Spule  5 coil
6 Generator  6 generator
7 Auslass 7 outlet
8 Ladungsträgerbeschleunigungssystem  8 charge carrier acceleration system
8.1 Erstes Gitter  8.1 First grid
8.2 Zweites Gitter  8.2 Second grid
8.3 Drittes Gitter  8.3 Third grid
9 Neutralisator 9 neutralizer
10 Treibstoff  10 fuel
10.1 Neutraler fester Treibstoff  10.1 Neutral solid fuel
10.2 Neutraler gasförmiger Treibstoff  10.2 Neutral gaseous fuel
10.3 Ionisierter gasförmiger Treibstoff  10.3 Ionized gaseous fuel
1 1 Reservoir 1 1 reservoir
1 1 .1 Behälter  1 1 .1 container
13 Hochspannungsversorgung  13 high voltage supply
14 Elektrostatischen, magnetostatischen und/oder elektromagnetisches Feld  14 Electrostatic, magnetostatic and / or electromagnetic field
15 Elektrisches Feld 15 electric field
16 Steuervorrichtung  16 control device
41 Leistungskurve für Xenon bei 7,5 mA  41 Power curve for xenon at 7.5 mA
42 Leistungskurve für Xenon bei 10 mA  42 power curve for xenon at 10 mA
43 Leistungskurve für Adamantan bei 7,5 mA  43 Power curve for adamantane at 7.5 mA
44 Leistungskurve für Adamantan bei 10 mA 44 Power curve for adamantane at 10 mA
100 Raumfahrzeug  100 spacecraft
T Temperatur  T temperature
Q Wärmemenge  Q amount of heat

Claims

Ansprüche claims
1 . lonenantrieb (1 ) für ein Raumfahrzeug (100), insbesondere für einen Satelliten, umfassend: 1 . Ion drive (1) for a spacecraft (100), in particular for a satellite, comprising:
- ein Reservoir (1 1 ) mit einem Treibstoff (10);  - A reservoir (1 1) with a fuel (10);
- eine Ionisationskammer (2), die mit dem Reservoir (1 1 ) verbunden ist;  - An ionization chamber (2) which is connected to the reservoir (1 1);
- ein Generator (6) zur Erzeugung eines elektrostatischen, magnetostatischen und/oder elektromagnetischen Feldes (14) im Inneren der Ionisationskammer (2), wobei das Feld (14) geeignet ist den Treibstoff (10) zu ionisieren; und  - A generator (6) for generating an electrostatic, magnetostatic and / or electromagnetic field (14) in the interior of the ionization chamber (2), wherein the field (14) is adapted to ionize the fuel (10); and
- ein Ladungsträgerbeschleunigungssystem (8) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes (15), das geeignet ist den ionisierten Treibstoff (10) zu beschleunigen, dadurch gekennzeichnet, dass  - A charge carrier acceleration system (8) for generating an electric field (15), which is suitable to accelerate the ionized fuel (10), characterized in that
der Treibstoff (10) ein Diamantoid enthält.  the fuel (10) contains a diamondoid.
2. lonenantrieb (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Treibstoff (10) wenigstens einen aus der folgenden Gruppe von Diamantoiden umfasst: Adamantan (C10H16), Diamantan (C14H20) und/oder Triamantan (C18H24). 2. ion drive (1) according to claim 1, characterized in that the fuel (10) comprises at least one of the following group of diamondoids: adamantane (C 10 H 16 ), Diamantan (C 14 H 20 ) and / or triamantane (C 18 H 24 ).
3. lonenantrieb (1 ) nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibstoff (10), insbesondere das Diamantoid, im Reservoir (1 1 ) in einem festen Aggregatzustand vorliegt. 3. ion drive (1) according to claim 1 and / or 2, characterized in that the fuel (10), in particular the diamondoid, is present in the reservoir (1 1) in a solid state of matter.
4. lonenantrieb (1 ) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (1 1 ) einen Behälter (1 1 .1 ), insbesondere einen vakuumdichten Behälter, umfasst. 4. ion drive (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the reservoir (1 1) comprises a container (1 1 .1), in particular a vacuum-tight container.
5. lonenantrieb (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der lonenantrieb (1 ) eine steuerbare Heizvorrichtung (12) umfasst, die konfiguriert ist, den Behälter (1 1 .1 ) mit einer Wärmemenge (Q) zu beaufschlagen, die geeignet ist, den Treibstoff (10) im Inneren des Behälters (1 1 .1 ) zu erwärmen und von dem festen Aggregatzustand in einen gasförmigen Aggregatzustand zu überführen. 5. ion drive (1) according to claim 4, characterized in that the ion drive (1) comprises a controllable heating device (12) which is configured to pressurize the container (1 1 .1) with an amount of heat (Q) suitable is to heat the fuel (10) inside the container (1 1 .1) and to convert from the solid state to a gaseous state of matter.
6. lonenantrieb (1 ) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionisationskammer (2) mit dem Reservoir (1 1 ) mittels einer Verbindungsleitung (4.1 ) über ein steuerbares Ventil (4.2) verbunden ist, wobei das Ventil (4.2) ausgebildet ist, einen Massen- oder Volumenstrom des Treibstoffes (10) durch die Verbindungsleitung (4.1 ) zu steuern. 6. ion drive (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the ionization chamber (2) with the reservoir (1 1) by means of a connecting line (4.1) via a controllable valve (4.2) is connected, wherein the valve (4.2 ) is designed to control a mass or volume flow of the fuel (10) through the connecting line (4.1).
7. lonenantrieb (1 ) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ladungsträgerbeschleunigungssystem (8) drei Gitter um- fasst, insbesondere ein erstes Gitter (8.1 ), ein dem ersten Gitter (8.1 ) nachgeordnetes zweites Gitter (8.2) und ein drittes Gitter (8.3). 7. ion drive (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the charge carrier acceleration system (8) comprises three grids, in particular a first grid (8.1), a first grid (8.1) downstream second grating (8.2) and a third grid (8.3).
8. lonenantrieb (1 ) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der lonenantrieb (1 ) einen Neutralisator (9) umfasst, der benachbart zur Ionisationskammer (2) angeordnet ist, wobei der Neutralisator (9) ausgebildet ist, den ionisierten Treibstoff zu neutralisieren. 8. ion drive (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the ion drive (1) comprises a neutralizer (9) which is adjacent to the ionization chamber (2), wherein the neutralizer (9) is formed, the ionized Neutralize fuel.
9. lonenantrieb (1 ) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der lonenantrieb (1 ) eine Steuervorrichtung (16) umfasst, die mit dem steuerbaren Ventil (4.2), der steuerbaren Heizvorrichtung (12), dem Ladungsträgerbeschleunigungssystem (8) und dem Generator (6) steuertechnisch in Verbindung steht. 9. ion drive (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the ion drive (1) comprises a control device (16) with the controllable valve (4.2), the controllable heating device (12), the charge carrier acceleration system (8) and the generator (6) tax technically in communication.
10. Raumfahrzeug (100) umfassend mindestens einen lonenantrieb (1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9. 10. spacecraft (100) comprising at least one ion drive (1) according to at least one of claims 1 to 9.
1 1 . Verfahren (20) zum Betreiben eines lonenantriebs (1 ) für ein Raumfahrzeug (100), insbesondere einen Satelliten, mit einem Reservoir (1 1 ) umfassend einen Treibstoff (10), einer Ionisationskammer (2), einem Generator (6) zur Erzeugung eines elektrostatischen, magnetostatischen und/oder elektromagnetischen Feldes (14) im Inneren der Ionisationskammer (2); und ein Ladungsträgerbeschleunigungssystem (8) zur1 1. Method (20) for operating an ion drive (1) for a spacecraft (100), in particular a satellite, having a reservoir (1 1) comprising a fuel (10), an ionization chamber (2), a generator (6) for generating a electrostatic, magnetostatic and / or electromagnetic field (14) inside the ionization chamber (2); and a charge carrier acceleration system (8) for
Erzeugung eines elektrischen Feldes (15), wobei der Treibstoff (10) ein Diamantoid enthält und das Verfahren folgende Schritte aufweist: Generating an electric field (15), wherein the fuel (10) contains a diamondoid and the method comprises the following steps:
- Überführen (22) des Diamantoids im Reservoir (1 1 ) von einem festen Aggregatzustand in einen gasförmigen Aggregatzustand;  - Transferring (22) of the diamondoid in the reservoir (1 1) of a solid state of matter in a gaseous state of matter;
- Leiten (23) des gasförmigen Diamantoids von dem Reservoir (1 1 ) in die Ionisationskammer (2);  - passing (23) the gaseous diamondoid from the reservoir (1 1) into the ionization chamber (2);
- Ionisieren (24) des gasförmigen Diamantoids mittels des elektrostatischen, magnetostatischen und/oder elektromagnetischen Feldes (14); und  - ionizing (24) the gaseous diamondoid by means of the electrostatic, magnetostatic and / or electromagnetic field (14); and
- Beschleunigen (25) des ionisierten gasförmigen Diamantoids mittels des elektri- sehen Feldes (15). - Accelerating (25) of the ionized gaseous diamondoid by means of the electric field see (15).
12. Verfahren (20) nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Treibstoff (10) wenigstens einen Stoff aus der folgenden Gruppe von Diamantoiden umfasst: Adamantan (C10H16), Diamantan (C14H20) und/oder Triamantan (C18H24). 12. The method (20) according to claim 1 1, characterized in that the fuel (10) comprises at least one substance from the following group of diamondoids: adamantane (C 10 H 16 ), Diamantan (C 14 H 20 ) and / or triamantane (C 18 H 24 ).
13. Verfahren (20) nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zusätzlich aufweist: 13. Method (20) according to claim 11 or 12, characterized in that the method additionally comprises:
- Ausstoßen des ionisierten gasförmigen Diamantoids zur Erzeugung einer Antriebskraft für das Raumfahrzeug (100).  Ejecting the ionized gaseous diamondoid to generate a propelling force for the spacecraft (100).
14. Verfahren (20) nach zumindest einem der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (1 1 ) mit einem Behälter (1 1 .1 ), insbesondere mit einem vakuumdichten Behälter, gebildet ist und das Verfahren zusätzlich aufweist: 14. Method (20) according to claim 1, characterized in that the reservoir (1 1) is formed with a container (1 1 .1), in particular with a vacuum-tight container, and the method additionally comprises:
- Heizen (21 ) des Behälters (1 1 .1 ) mittels einer steuerbaren Heizvorrichtung (12), so dass sich eine Temperatur (T) zwischen 20 °C und 250 °C im Inneren des Behälters (1 1 .1 ) und ein Dampfdruck des Treibstoffes (10) zwischen 0,1 bis 100 kPa einstellen.  - Heating (21) of the container (1 1 .1) by means of a controllable heating device (12), so that a temperature (T) between 20 ° C and 250 ° C inside the container (1 1 .1) and a vapor pressure of the fuel (10) between 0.1 to 100 kPa.
15. Verfahren (20) nach zumindest einem der Ansprüche 1 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Ladungsträgerbeschleunigungssystem (8) mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Gitter (8.1 , 8.2, 8.3) gebildet ist, wobei an das erste Gitter (8.1 ) eine Spannung im Bereich von 100 bis 10000 V, an das zweite Gitter (8.2) eine Spannung im Bereich von 10000 bis -2000 V und an das dritte Gitter (8.3) eine Spannung im Bereich von -500 bis + 500 V angelegt werden. 15. The method (20) according to at least one of claims 1 1 to 14, characterized in that the charge carrier acceleration system (8) with a first, a second and a third grid (8.1, 8.2, 8.3) is formed, wherein the first grid (8.1) a voltage in the range of 100 to 10000 V, to the second grid (8.2) a voltage in the range of 10000 to -2000 V and to the third grid (8.3) a voltage in the range of -500 to +500 V applied become.
16. Verfahren (20) der Ansprüche 1 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zusätzlich aufweist: 16. Method (20) of claims 11 to 15, characterized in that the method additionally comprises:
- Erzeugen des elektrostatischen, magnetostatischen und/oder elektromagnetischen Feldes (14) mit einer die Leistung zwischen 1 W und 1 MW.  - Generating the electrostatic, magnetostatic and / or electromagnetic field (14) with a power between 1 W and 1 MW.
17. Verfahren (20) nach zumindest einem der Ansprüche 1 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionisationskammer (2) mit dem Reservoir (1 1 ) mittels einer Verbindungsleitung (4.1 ) über ein steuerbares Ventil (4.2) verbunden ist und das Verfahren zusätzlich aufweist: 17. The method (20) according to at least one of claims 1 1 to 16, characterized in that the ionization chamber (2) with the reservoir (1 1) by means of a connecting line (4.1) via a controllable valve (4.2) is connected and the method additionally has:
- Ansteuern des steuerbaren Ventiles (4.2) in der Verbindungsleitung (4.1 ), so dass sich einen Massen- oder Volumenstrom des gasförmigen Diamantoids zwischen 0.001 sccm und 1000 sccm einstellt. - Controlling the controllable valve (4.2) in the connecting line (4.1), so that sets a mass or volume flow of the gaseous diamondoid between 0.001 sccm and 1000 sccm.
18. Verfahren (20) nach zumindest einem der Ansprüche 1 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Verfahren (20) ein lonenantrieb (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 betrieben wird. 18. The method (20) according to at least one of claims 1 1 to 17, characterized in that the method (20) an ion drive (1) is operated according to one of claims 1 to 9.
19. Verwendung von Diamantoiden, insbesondere Adamantan (C10H16), Diamantan (C14H20) und/oder Triamantan (C18H24), als Treibstoff für einen lonenantrieb (1 ) für ein Raumfahrzeug (100), insbesondere einen Satelliten. 19. Use of diamondoids, in particular adamantane (C 10 H 16 ), Diamantan (C 14 H 20 ) and / or triamantane (C 18 H 24 ), as fuel for an ion drive (1) for a spacecraft (100), in particular one satellites.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105292521A (en) * 2015-10-16 2016-02-03 中国航天科技集团公司第九研究院第七七一研究所 Power supply control system and method for Hall electric thruster of spacecraft
CN107939625A (en) * 2017-11-13 2018-04-20 中国人民解放军国防科技大学 Reflection type laser-electromagnetic field coupling thruster
CN110513260A (en) * 2019-09-27 2019-11-29 哈尔滨工业大学（深圳） A kind of radio frequency plasma propeller
WO2021046044A1 (en) * 2019-09-04 2021-03-11 Phase Four, Inc. Propellant injector system for plasma production devices and thrusters
WO2021253915A1 (en) * 2020-06-19 2021-12-23 狄晓牛 Ring current plasma fuel generator

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017212927B4 (en) 2017-07-27 2019-05-02 Airbus Defence and Space GmbH Electric engine and method of operating an electric engine
DE102020002348A1 (en) 2020-04-17 2021-10-21 Johanna von Pokrzywnicki Method and device for controlling an ion drive

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5239820A (en) * 1991-11-18 1993-08-31 California Institute Of Technology Electric propulsion using C60 molecules

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2633778C3 (en) * 1976-07-28 1981-12-24 Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 8000 München Ion thruster
US5947421A (en) * 1997-07-09 1999-09-07 Beattie; John R. Electrostatic propulsion systems and methods
US6609363B1 (en) * 1999-08-19 2003-08-26 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Iodine electric propulsion thrusters
DE19948229C1 (en) * 1999-10-07 2001-05-03 Daimler Chrysler Ag High frequency ion source
DE102004014618B3 (en) * 2004-03-23 2005-11-10 Eads Space Transportation Gmbh Electrothermal impulse engine
DE102008058212B4 (en) * 2008-11-19 2011-07-07 Astrium GmbH, 81667 Ion propulsion for a spacecraft
US9334856B2 (en) * 2010-11-04 2016-05-10 Young Kun Bae System and method of photoionization of fullerene and derivative clusters for high thrust-density ion thrusters
US8610356B2 (en) * 2011-07-28 2013-12-17 Busek Co., Inc. Iodine fueled plasma generator system

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5239820A (en) * 1991-11-18 1993-08-31 California Institute Of Technology Electric propulsion using C60 molecules

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GLOBUS A ET AL: "AEROSPACE APPLICATIONS OF MOLECULAR NANOTECHNOLOGY", JOURNAL OF THE BRITISH INTERPLANETARY SOCIETY, BRITISH INTERPLANETARY SOCIETY, LONDON, GB, vol. 51, no. 4, 1 April 1998 (1998-04-01), pages 145 - 152, XP000741298, ISSN: 0007-084X *
JEFF C CRADDOCK: "A Trade Study for 21st Century SSTO Propulsion", 43RD AIAA/ASME/SAE/ASEE JOINT PROPULSION CONFERENCE & EXHIBIT: 8 - 11 JULY 2007, CINCINNATI, OH, AMERICAN INSTITUTE OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS, RESTON, VA., USA, vol. 6, no. AIAA 2007-5599, 1 January 2007 (2007-01-01), pages 5844 - 5858, XP008176671, ISBN: 978-1-56347-886-4, DOI: 10.2514/6.2007-5599 *
K. LENZKE ET AL: "Experimental determination of the ionization potentials of the first five members of the nanodiamond series", THE JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS, vol. 127, no. 8, 1 January 2007 (2007-01-01), pages 084320, XP055196979, ISSN: 0021-9606, DOI: 10.1063/1.2773725 *
KIKUCHI H ET AL: "Development of sheet-like dielectric barrier discharge microplasma generated in supercritical fluids and its application to the synthesis of carbon nanomaterials", JOURNAL OF SUPERCRITICAL FLUIDS, PRA PRESS, US, vol. 55, no. 1, 1 November 2010 (2010-11-01), pages 325 - 332, XP027437261, ISSN: 0896-8446, [retrieved on 20100608], DOI: 10.1016/J.SUPFLU.2010.05.029 *
RK ROHIT: "Space Transpotrtation System using Molecular Nanotechnology", 16 March 2010 (2010-03-16), XP055195410, Retrieved from the Internet <URL:http://www.thescienceforum.com/astronomy-cosmology/18154-space-transpotrtation-system-using-molecular-nanotechnology.html> [retrieved on 20150612] *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105292521A (en) * 2015-10-16 2016-02-03 中国航天科技集团公司第九研究院第七七一研究所 Power supply control system and method for Hall electric thruster of spacecraft
CN107939625A (en) * 2017-11-13 2018-04-20 中国人民解放军国防科技大学 Reflection type laser-electromagnetic field coupling thruster
CN107939625B (en) * 2017-11-13 2019-04-05 中国人民解放军国防科技大学 Reflection type laser-electromagnetic field coupling thruster
WO2021046044A1 (en) * 2019-09-04 2021-03-11 Phase Four, Inc. Propellant injector system for plasma production devices and thrusters
CN110513260A (en) * 2019-09-27 2019-11-29 哈尔滨工业大学（深圳） A kind of radio frequency plasma propeller
WO2021253915A1 (en) * 2020-06-19 2021-12-23 狄晓牛 Ring current plasma fuel generator

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