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Alternative Treibstoffe

Ionentriebwerke müssen den ihnen zur Verfügung stehenden Treibstoff ionisieren, um ihn über elektrische Felder auf hohe Ausstoßgeschwindigkeiten zu beschleunigen. Für diese Ionisation muss Energie aufgewendet werden, daher ist bei der Wahl des Treibstoffs darauf zu achten, dass sie effizient verläuft. Physikalisch wird dies durch die Wirkungsquerschnitte der Ionisation und der Anregungsprozesse beschrieben.

Bei Plasmatriebwerken wie dem RIT ist der dominierende Ionisationsprozess die Stoßwechselwirkung von freien Elektronen mit neutralen Atomen oder Molekülen des Treibstoffs. Die Elektronen gewinnen dabei zunächst kinetische Energie über die induktive Einkopplung elektrischer Energie in das Plasma, bis sie die Schwellenenergie der Ionisation erreichen. Danach können sie mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit – ausgedrückt durch den Ionisations-Wirkungsquerschnitt – den Treibstoff ionisieren. Der Verlauf einiger berechneter Ionisations-Wirkungsquerschnitte ist in Abb.1 dargestellt.

Vom technischen Standpunkt ist es entscheidend, wie effektiv der Treibstoff in den gasförmigen Zustand gebracht werden kann. Stoffe mit sehr hohen Verdampfungstemperaturen sind oftmals trotz hervorragender Ionisationseigenschaften ungeeignet, da der Energieaufwand der Verdampfung gegengerechnet werden muss.

Abbildung 1 (zum Vergrößern bitte anklicken):
Ionisations-Wirkungsquerschitte einiger Elemente in Abhängigkeit von der kinetischen Energie der Elektronen

Element

Masse (amu)

Ii (eV)

Tb (K)

Li

   6.939

  5.390

1603.0

Kr

 83.800

13.996

  121.1

Cd

112.400

  8.991

1038.0

I

126.900

10.440

  457.2

Xe

131.300

12.127

  165.2

Cs

132.905

  3.893

  963.2

Hg

200.590

10.434

  630.2

Ein weiterer Punkt ist die Wahl eines Treibstoffs mit möglichst hoher atomarer Masse. Wird der ionisierte Treibstoff über massenunabhängige elektrische Kräfte beschleunigt, so verringert eine hohe Atommasse doch den für einen bestimmten Schub notwendigen Strahlstrom und erhöht somit das Schub-zu-Leistungsverhältnis.

In nebenstehender Tabelle sind Atommasse, Ionisierungsenergie (Einsatzschwelle Ii) und Siedetemperatur Tb einiger Elemente angegeben. Wie man erkennt, ist die Wahl eines passenden Treibstoffs immer ein Kompromiss, denn einen wirklich perfekten Treibstoff gibt es im atomaren Spektrum nicht. Momentan wird für Ionentriebwerke Xenon als Treibstoff verwendet. Dieses hat den Vorteil, dass es bereits als Gas vorliegt und chemisch inert ist. Die chemische Reaktionsträgheit wird allerdings durch eine hohe Ionisierungsenergie erkauft.

Die AG Ionentriebwerke untersucht daher, ob es molekulare Verbindungen gibt, die sich als Treibstoffe anbieten. Hierbei kommt es neben den bereits erwähnten Parametern auch auf die Stabilität des Moleküls im Plasma des Triebwerks an. Momentan werden u.a. Diamantoide wie Adamantan und dessen Derivate sowie molekulares Iod untersucht.

Abbildung 2 (zum Vergrößern bitte anklicken):

RIM-Ionenquelle mit Iod als Treibstoff

Abbildung 3 (zum Vergrößern bitte anklicken):

RIT-10 mit Adamantan als Treibstoff