Plasmatriebwerke, die auf Satelliten eingesetzt werden, könnten viel leistungsstärker sein als bisher angenommen

Es wurde angenommen, dass Hall-Triebwerke, eine effiziente Art von elektrischem Antrieb, die im Orbit weit verbreitet ist, groß sein müssen, um viel Schub zu erzeugen. Nun deutet eine neue Studie der University of Michigan darauf hin, dass kleinere Hall-Triebwerke viel mehr Schub erzeugen können – was sie möglicherweise zu Kandidaten für interplanetare Missionen macht.

„Die Leute dachten früher, dass man nur eine bestimmte Strommenge durch einen Triebwerksbereich drücken könnte, was wiederum direkt dazu führt, wie viel Kraft oder Schub man pro Flächeneinheit erzeugen kann“, sagte Benjamin Jorns, außerordentlicher Professor für Luft- und Raumfahrttechnik an der UM führte dazu, dass die neue Hall-Triebwerksstudie auf der vorgestellt wurde AIAA SciTech-Forum heute in National Harbor, Maryland.

Sein Team forderte diese Grenze heraus, indem es ein 9-Kilowatt-Hall-Triebwerk auf 45 Kilowatt brachte und dabei etwa 80 % seines Nennwirkungsgrads beibehielt. Dadurch erhöhte sich die pro Flächeneinheit erzeugte Kraft fast um den Faktor 10.

Ob wir es Plasmatriebwerk oder Ionenantrieb nennen, Elektroantrieb ist unsere beste Wahl für interplanetare Reisen – aber die Wissenschaft steht an einem Scheideweg. Während Hall-Triebwerke eine bewährte Technologie sind, verspricht ein alternatives Konzept, das als magnetoplasmadynamisches Triebwerk bekannt ist, viel mehr Leistung in kleinere Triebwerke zu packen. Sie sind jedoch in vielerlei Hinsicht noch unbewiesen, einschließlich der Lebensdauer.

Es wurde angenommen, dass Hall-Triebwerke aufgrund ihrer Funktionsweise nicht konkurrieren können. Das Treibmittel, typischerweise ein Edelgas wie Xenon, bewegt sich durch einen zylindrischen Kanal, wo es durch ein starkes elektrisches Feld beschleunigt wird. Es erzeugt Schub in Vorwärtsrichtung, wenn es nach hinten austritt. Aber bevor das Treibmittel beschleunigt werden kann, muss es einige Elektronen abgeben, um ihm eine positive Ladung zu verleihen.

Elektronen, die durch ein Magnetfeld beschleunigt werden, um in einem Ring um diesen Kanal herum zu laufen – von Jorns als „Kreiselsäge“ bezeichnet – schlagen Elektronen von den Treibatomen ab und verwandeln sie in positiv geladene Ionen. Berechnungen deuteten jedoch darauf hin, dass, wenn ein Hall-Triebwerk versuchte, mehr Treibstoff durch das Triebwerk zu treiben, die in einem Ring sausenden Elektronen aus der Formation herausgeschleudert würden und diese „Kreissägen“ -Funktion zusammenbrechen würden.

„Es ist, als würde man versuchen, mehr abzubeißen, als man kauen kann“, sagte Jorns. „Die Kreissäge kann sich nicht durch so viel Material arbeiten.“

Außerdem würde der Motor extrem heiß werden. Jorns‘ Team stellte diese Überzeugungen auf den Prüfstand.

„Wir haben unser Triebwerk H9 MUSCLE genannt, weil wir im Wesentlichen das H9-Triebwerk genommen und ein Muscle-Car daraus gemacht haben, indem wir es auf ‚11‘ hochgedreht haben – wirklich bis zu hundert, wenn wir uns an eine genaue Skalierung halten“, sagte er Leanne Su, eine Doktorandin der Luft- und Raumfahrttechnik, die die Studie vorstellen wird.

Sie gingen das Hitzeproblem an, indem sie es mit Wasser kühlten, wodurch sie sehen konnten, wie groß das Problem der Ausfall der Kreissäge sein würde. Wie sich herausstellte, war es nicht viel Mühe. Mit Xenon, dem konventionellen Treibstoff, betrieben, lief der H9 MUSCLE mit bis zu 37,5 Kilowatt, mit einem Gesamtwirkungsgrad von etwa 49 %, nicht weit entfernt von dem Wirkungsgrad von 62 % bei seiner Nennleistung von 9 Kilowatt.

Mit Krypton, einem leichteren Gas, betrieben sie ihre Stromversorgung auf 45 Kilowatt. Bei einem Gesamtwirkungsgrad von 51 % erreichten sie ihren maximalen Schub von etwa 1,8 Newton, was dem viel größeren X3-Hall-Triebwerk der 100-Kilowatt-Klasse entspricht.

„Das ist ein ziemlich verrücktes Ergebnis, denn normalerweise schneidet Krypton bei Hall-Triebwerken viel schlechter ab als Xenon. Es ist also sehr cool und ein interessanter Weg nach vorne zu sehen, dass wir die Leistung von Krypton im Vergleich zu Xenon tatsächlich verbessern können, indem wir die Stromdichte des Triebwerks erhöhen. “, sagte Su.

Verschachtelte Hall-Triebwerke wie das X3 – ebenfalls teilweise von UM entwickelt – wurden für den interplanetaren Frachttransport erforscht, aber sie sind viel größer und schwerer, was es für sie schwierig macht, Menschen zu transportieren. Jetzt sind gewöhnliche Hall-Triebwerke wieder auf dem Tisch für bemannte Reisen.

Jorns sagt, dass das Kühlproblem eine weltraumtaugliche Lösung erfordern würde, wenn Hall-Triebwerke mit diesen hohen Leistungen betrieben werden sollen. Dennoch ist er optimistisch, dass einzelne Triebwerke mit 100 bis 200 Kilowatt betrieben werden könnten, die in Arrays angeordnet sind, die einen Schub im Wert von einem Megawatt liefern. Dies könnte es bemannten Missionen ermöglichen, den Mars sogar auf der anderen Seite der Sonne zu erreichen und dabei eine Entfernung von 250 Millionen Meilen zurückzulegen.

Das Team hofft, das Kühlproblem sowie die Herausforderungen bei der Entwicklung von Hall-Triebwerken und magnetoplasmadynamischen Triebwerken auf der Erde zu verfolgen, wo nur wenige Einrichtungen Triebwerke auf Mars-Missionsebene testen können. Die aus dem Triebwerk austretende Treibmittelmenge kommt zu schnell, als dass die Vakuumpumpen die Bedingungen in der Prüfkammer raumähnlich halten könnten.