Ionentriebwerk

Abstract

 Ein Ionentriebwerk für Objekte im Weltraum, vorzugsweise in Form von Raumfahrzeugen (1), weist in einer sonnenbestrahl­ten Fläche des Raumfahrzeugs Oberflächenzonen (20₁ bis 20_n) mit leicht ablösbarem und ionisierbarem Material (3) in Form von kleinsten Partikeln, wie vorzugsweise Staubpartikeln, oder in Form von entsprechend leicht verdampfbarem Gas in einer ausreichenden Menge auf. Bei dieser Ausbildung eines Ionentriebwerks werden dann von der sonnenbestrahlten Fläche (10) Photoelektronen freigesetzt, welche vor dieser Fläche (10) eine Raumladung (4) und damit ein Potential zwischen der Fläche (10) und der Raumladung (4) aufbauen, und welche das durch elektrostatische Kraftwirkung aus den Oberflächen­zonen positiv ionisierte und durch das Potential abgelöste Material in einer für einen benötigten Schub erforderlichen Menge beschleunigen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Ionentriebwerk für Objekte im Weltraum, vorzugsweise in Form von Raumfahrzeugen. Hierbei müssen sich die Objekte, beispielsweise die Raumfahrzeuge, im Weltraum in Gegenden befinden, in denen sich wegen feh­lender atmosphärischer und plasmatischer Einflüsse sonnen­bestrahlte Oberflächen positiv aufladen.

[0002] Bekanntlich erfahren Kometen beim Ausstoßen von Staub und Gas nichtgravitätische Kräfte, was beispielsweise auch wie­der bei der Auswertung von Beobachtungen und zahlreichen Meßdaten am Kometen Halley bestätigt worden ist. Ein derar­tiger Materialausstoß beispielsweise an einem Kometen wird von elektrostatischen Kräften stark beeinflußt, wenn nicht sogar überhaupt erst ausgelöst. Die Erzeugung von solchen nichtgravitätischen Kräften beispielsweise an Raumfahrzeugen kann zu deren Antrieb ausgenutzt werden.

[0003] Die Entwicklung und der Bau von elektrischen bzw. elektroni­schen Triebwerken hat in einer Anzahl Ländern, beispielswei­se in den U.S.A., der UdSSR, in Japan, der Bundesrepublik Deutschland und in verschiedenen anderen Ländern zu anwen­dungsreifen und anwendungsfähigen Produkten geführt. Alle diese Einrichtungen weisen im allgemeinen eine Ionenquelle, ein zwischen der Ionenquelle und einem Beschleunigungsgitter aufgebautes Potential sowie eine Elektronenquelle zur Neu­tralisation eines Ionenstrahls auf. Als Treibstoff wird hier in vielen Fällen Quecksilber benutzt. Triebwerke dieser Art beziehen ihre Energie aus einem Bordnetz, welches aus lei­stungsfähigen Stromquellen, beispielsweise in Form von So­ larzellen, radiothermischen Generatoren u.ä., gespeist wird. Hierbei hängen die erzielbaren Schübe von der zur Verfügung stehenden und damit anlegbaren Spannung ab. In der Praxis werden mit solchen Triebwerken Schübe bis etwa 1 N erreicht. Hierbei sind die Hauptnachteile der bisher zum Einsatz ge­kommenen Triebwerke insbesondere deren hohe Erstehungsko­sten, die unter anderem auf die sehr leistungsfähigen Strom­quellen zurückzuführen sind.

[0004] Ziel der Erfindung ist es daher, ein besonders, kostengünstig herstellbares Ionentriebwerk zu schaffen, das weitgehend wartungsfrei und ausgesprochen zuverlässig arbeitet. Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Ionentriebwerk für Objekte im Weltraum, vorzugsweise in Form von Raumfahrzeugen, durch die Merkmale in Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbil­dungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

[0005] Nachstehend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten vor­teilhaften Ausführungsform in Bezug auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig.1 eine schematische prinzipielle Darstellung einer vorteilhaften Ausbildungsform eines Teils einer Oberfläche eines Raumfahrzeugs;

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang einer Linie II - II in Fig.1, und

Fig.3a bis c Ausführungsformen von verstellbaren Blenden­anordnungen.

[0006] Bei dem erfindungsgemäßen Ionentriebwerk ist davon ausgegan­gen, daß die Aufladung eines Raumfahrzeugs durch die - im Weltraum ungestört vorhandene - Bestrahlung durch die Sonne zum Aufbau eines ionenbeschleunigenden Potentials ausnutzbar ist. Wie in Fig.1 schematisch dargestellt, ist beispielswei­se eine Fläche 10 eines Raumfahrzeugs 1 einer ständigen Be­ strahlung durch eine nur angedeutete Sonne S ausgesetzt. Hierbei ist in Fig.1 die Oberfläche des Raumfahrzeugs 1 hell wiedergegeben, während durch schraffierte, beliebig geformte Bereiche 21₁ bis 21_n von Oberflächenzonen 20₁ bis 20_n für einen Austritt von durch die Sonnenbestrahlung positiv gela­denen Materieteilchen bezeichnet sind, welche mit einem leicht ablösbaren und ionisierbaren Material 3 in Form von kleinsten Partikeln, wie vorzugsweise Staubpartikeln, oder in Form von leicht verdampfbarem Gas in einer ausreichenden Menge vorgesehen sind.

[0007] Form, Anzahl und Größe der staubführenden Oberflächenzonen 20₁ bis 20_n sind beliebig. Ebenso kann auch die gesamte Oberfläche 10 des Raumfahrzeugs 1 durch Staubträger ausge­bildet sein, sofern sichergestellt ist, daß das zur Be­schleunigung benötigte Potential nicht durch einen zu gro­ßen Teilchenstrom zusammenbricht, sondern aufrechterhalten werden kann. Hierbei eignen sich als Staubteilchen bei­spielsweise Makromoleküle (Polyvinyl, Polypeptid, usw.) ge­ringer gegenseitiger Adhäsion, welche leicht ionisierbar sind.

[0008] Bei einem Kometen bestehen die Staubteilchen überwiegend aus C-H-O-N-Verbindung unterschiedlichen chemischen Aufbaus. Auch Silikatteilchen, Metallpartikel usw. kommen vor. Die meisten dieser Teilchen haben ein Äquivalent-Molekularge­wicht von > 10 000, bzw. eine Masse m von m ≲ 10⁻²⁰ kg. Obwohl die Verwendung anderer Teilchen bei der Erfindung nicht ausgeschlossen werden soll, wird die Verwendung von Staubteilchen dieser Art bevorzugt.

[0009] Bei dieser Ausbildung des erfindungsgemäßen Ionentrieb­werks werden dann von der sonnenbestrahlten Fläche 10 sowohl des Fahrzeugs 1 als auch der Staubpartikel Photoelektronen freigesetzt, welche vor dieser Fläche 10 eine Raumladung 4 und damit ein Potential zwischen der Fläche 10 und der Raum­ladung 4 aufbauen, und welche das durch elektrostatische Kraftwirkung auf den Oberflächenzonen 20₁ bis 20₄ positiv ionisierte und durch das Potential abgelöste Material 3 in einer für einen benötigten Schub erforderlichen Menge be­schleunigen. Hierbei ist in Fig.2 die Richtung beispielswei­se von beschleunigtem Staub durch senkrecht zur Oberfläche 10 verlaufende Pfeile 5 angedeutet. In, unter oder über den Oberflächenzonen 20₁ bis 20_n können beispielsweise Staubbe­hälter 22₁ bis 22_n vorgesehen sein, an welche, falls erfor­derlich, vorzugsweise vom Inneren des Fahrzeugs 1 aus Staub­partikel u.ä nachgeliefert werden.

[0010] In Fig.2 ist an der Oberseite von zwei schematisch wiederge­gebenen Staubbehältern 22₂ und 22₃ eine gestrichelt einge­zeichnete strahlungs- und staubdurchlässige Abdeckung der Staubbehälter, beispielsweise in Form von Gittern eingetra­gen. Eine derartige Abdeckung kann auch beispielsweise als eine in Fig.3a bis 3c schematisch dargestellte, verschließ­bare Blendenanordnung ausgebildet sein, falls die Schubstär­ke des erfindungsgemäßen Ionentriebwerks entsprechend steu­erbar sein soll.

[0011] Solche Blendenanordnungen zur Variation der Schubstärke kön­nen beliebig ausgeführt sein. Sie können beispielsweise die Form von Lochblenden haben, wie bei Kameraobjektiven üblich ist. Sie können jedoch beispielsweise auch, wie in Fig.3a schematisch dargestellt ist, die Form von gegenseitig ver­schiebbaren, beispielsweise rechteckigen Blenden 6₁ haben, deren Verschiebbarkeit bezüglich der Öffnung 21₁ durch ober­halb der Blende 6₁ eingetragene Pfeile angedeutet ist.

[0012] Ferner können solche Blendenanordnungen, wie schematisch in Fig.3b angedeutet ist, als halbkreisförmige Blendenteile 6₃ ausgeführt sein, welche zum ganzen oder teilweise Abdecken beispielsweise der Öffnung 21₃ in eine durch die oberhalb und unterhalb der Blendenteil 6₃ angedeuteten Richtungen verschwenkbar sind. Darüber hinaus kann eine Blendenanord­nung, wie in Fig.3c angedeutet ist, auch als ein rechtecki­ ges Blendenteil 6₂ ausgebildet sein, das in einer durch einen oberhalb des Blendenteils 6₂ eingetragenen Pfeil ange­zeigten Richtung über die Öffnung 21₂ schiebbar ist.

[0013] Ferner können auch sogenannte Rasterblenden verwendet wer­den. Falls die Blendenanordnungen 6₁ bis 6₃ Teile darunter­liegender staubfreier Bereiche abdecken, wenn sie ganz oder teilweise offen stehen, wird dadurch die Erzeugung von La­dungen nicht beeinflußt, weil auch von der Oberfläche der Blendenanordnungen 6₁ bis 6₃ Selbstladungen abgegeben wer­den.

[0014] Wenn die der Bestrahlung durch die Sonne S ausgesetzte Flä­che 10 die Größe F hat, beträgt die erreichbare Bestrah­lungsleistung I = I₀.F.cosα, wobei I₀ die Solarkonstante und α der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung, d.h. die Ab­weichung von der vertikalen Sonnenbestrahlung auf die Fläche F ist.

[0015] Hierbei führt der UV-Anteil η dieser Sonnenstrahlung über den sogenannten äußeren Photoeffekt zur Ablösung von Elek­tronen, d.h. zur positiven Aufladung der Fläche F und da­durch zur Bildung einer Raumladung 4 vor der sonnenbeschie­nenen Seite der Fläche F (10). Hierdurch entsteht ein Poten­tial U. Das Potential U hat dann ein Maximum, wenn keine schuberzeugenden Ionen freigesetzt werden. Je mehr Ionen beschleunigt werden, desto stärker nimmt jedoch das Poten­tial ab. Das anzustrebende Optimum hängt nicht nur von dem Flächenverhältnis der Oberflächenzonen 20₁ bis 20_n bei­spielsweise in Form von Vertiefungen 2 oder von Erhöhungen 7, zu der gesamten, sonnenbestrahlten Fläche 10 ab, sondern auch von verschiedenen Materialien, wie zum Beispiel der Metalloberfläche, der Staubbeschaffenheit, usw.. Öffnungen 21₂ in Erhöhungen 7 bieten sogar den Vorteil, daß dort die elektrische Feldstärke etwas höher ist als über der glatten Oberfläche 10. Das heißt, wegen der dort herrschenden größe­ren Kraftwirkung auf die Staubpartikel erhöht sich entspre­ chend der Teilchenfluß. Im Extremfall könnte sogar eine Spitze genommen werden, um das elektrische Feld maximal wer­den zu lassen. Allerdings erhöht sich dadurch die Gesamtlei­stung des Treibwerks nicht.

[0016] Enthält nun die Fläche F eine Anzahl Oberlfächenzonen 20₁ bis 20₄ in Form von Vertiefungen 2 oder von Erhöhungen 7, mit einem leicht ablösbaren und ionisierbaren Material 3, beispielsweise in Form von kleinsten Staubpartikeln oder mit leicht verdampfbarem Gas, so wird dieses "Material" (3) in Richtung eines Feldes E = -grad U beschleunigt. Eine er­reichbare Geschwindigkeit v eines Teilchens der Masse m ist dann

1/2.m.v² = Z.e.U      (1)

wenn e die Elementarladung und Z die Ladungszahl des Teil­chens bedeuten. Durch Auflösen von Gl.(1) ergibt sich für die erreichbare Geschwindigkeit v

v = (2.Z.e.U/m)^1/2      (2)

mit einem Impuls P von

P = m.v = (2.m.Z.e.U)^1/2      (3)

[0017] Wenn nun pro Sekunde N Teilchen auf diese Weise beschleunigt werden, so wird auf das Raumfahrzeug 1, welches die sonnen­beschienene Fläche F aufweist, eine beschleunigende Kraft K übertragen, und zwar

K = N.m.v = N.(2.m.Z.e.U)^1/2      (4)

[0018] Zur Aufrechterhaltung des Potentials U ist jedoch eine stän­dige Nachlieferung von Photoelektronen eine notwendige Vor­aussetzung. Mit einer Austrittsarbeit A für die Photoelek­tronen ergibt sich dann zur Aufrechterhaltung des Potentials U:

I = I₀.η.F.cosα = N_e.(e.U + A) > N.m.v²/2      (5)

[0019] Da für die Masse m_e eines Elektrons in Relation zu der Masse m von Material- oder Gaspartikeln die Beziehung gilt m » m_e, beschleunigen die Ionen beim Durchdringen der Raumladung ihrerseits Elektronen, und es entsteht somit ein quasineutraler Plasmastrahl.

[0020] Beispielsweise kann durch Einsetzen von entsprechenden Zah­lenwerten in die vorstehend wiedergegebenen Gl.'en 1 bis 5, der erreichbare Schub abgeschätzt werden.

[0021] Nach Isensee und Maassberg (Adv. Space Res. 1, 413 - 416, (1981) erreicht eine Sonde in einem Abstand von einer Astro­nomischen Einheit (1AE = 150 Mio km) von der Sonne ein Po­tential von U = +3,8V. Wird nun Z = 1 und m ≈ 10⁻²⁰ kg (feinster Staub) gewählt, so ergibt sich v ≈ 11 m.s⁻¹.

[0022] Ein einzelnes Teilchen hat somit einen Impuls von P = 1,1 x 10⁻¹⁹ N.s. Die Solarkonstante in 1 AE beträgt 1,4 x 10³ W.m⁻². Bei senkrechter Bestrahlung und mit η = 10⁻² ergibt sich I = 14 W. Mit U₀ = A/e ≈ 4V wird dann N_e ≈ 10¹⁹ m⁻².s⁻¹ und somit N≦10¹⁹m⁻².s⁻¹ erhalten. Dabei ist jedoch der Quanten­wirkungsgrad η′ noch nicht berücksichtigt. Er liegt für technische Oberflächen zwischen 1 und 10%.

[0023] Wenn das Verhältnis Fläche der Vertiefungen 2₁ bis 2_n für ionisierte Teilchen zu Gesamtfläche zu 10% gewählt wird, ergibt sich -bezogen auf die Gesamtfläche - somit N ≈ 10¹⁶ m⁻².s⁻¹.

[0024] Es wird dann bei einem Treibstoffverbrauch (beispielsweise feinster Staub) von N.m ≈ 0,1 g.m⁻².s⁻¹ eine beschleunigende Rückstoßkraft von K ≈ 10⁻³N.m⁻² erhalten. Dem entspricht bei Staub der Dichte ρ = 1000 kg.m⁻³ eine Abtragungsrate auf einer Fläche von 0,1 m² pro 1 m² Grundläche von 10⁻³ mm.s⁻¹. Mit einem weißen Sonnensegel wird dagegen nur ein Schub von ungefähr 10⁻⁵ N.m⁻² erreicht.

[0025] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung läßt sich der Schub eines passiven Ionentriebwerks gemäß der Er­findung in einfacher Weise dadurch verändern, daß über der sonnenbestrahlten Fläche 10 eine in der Neigung verstellba­re, jedoch nicht näher dargestellte Blendenanordnung ange­bracht ist. Durch die Änderung der Neigung der Fläche 10 gegenüber der Richtung der Sonneneinstrahlung (Winkel α) wird eine Richtungssteuerung des Schubs und zwar auf Kosten einer Schubverminderung um den Faktor cos α erreicht, wobei auch hier der Winkel α die Neigung der bestrahlten Fläche F (10) gegenüber der senkrechten Sonneneinstrahlung angibt.

[0026] Bei der praktischen Ausführung passiver Ionentriebwerke gemäß der Erfindung können die die Ionen liefernden Zonen 20₁ bis 20_n in der sonnenbestrahlten Fläche 10 etwa rund oder auch eckig sein, wie in Fig.1 angedeutet ist. Obwohl möglichst ebene Flächen vorzuziehen sind, sind durchaus auch gekrümmte oder gewundene Flächen mit den erforderlichen Ab­messungen in Abhängigkeit von dem benötigten bzw. zu erzie­lenden Schub möglich.

[0027] Auch die Farbe der sonnenbestrahlten Flächen 10 spielt inso­fern eine Rolle, als durch die Farbe der Flächen 10 unmit­telbar deren Temperatur bestimmt wird und damit auch die Austrittsarbeit A der Elektronen unmittelbar beeinflußt wird. Ferner spielt für die Verdampfungsrate des als Treib­stoff gewählten, ionisierbaren Stoffes 3, beispielsweise feinster Staub aus organischen oder anorganischen Materia­lien, die Temperatur eine wichtige Rolle.

[0028] Obwohl die Anzahl und die Gestaltung einer oder mehrerer Zonen 20₁ bis 20_n in der sonnenbestrahlten Fläche, welche der Aufnahme des Treibstoffmaterials 3 in Form von leicht ablösbaren und damit ionisierbaren Materialpartikeln oder Gaspartikeln dienen, weitgehend beliebig ist, sollte gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die kontinu­ierliche Versorgung oder Beschickung dieser Zonen 20₁ bis 20_n, die beispielsweise die Form von Erhöhungen 7 oder von Vertiefungen 2₁ bis 2_n der sonnenbestrahlten Fläche haben können, vom Inneren des Raumfahrzeugs 1 aus erfolgen.

[0029] Genauso sollte die in ihrer Form, Anordnung und Ausführung weitgehend beliebige Gestaltung der Blendenanordnung 6₁ bis 6₃ zur Minderung und Steuerung der Schubkraft des passiven Triebwerks vom Raumfahrzeug 1 aus erfolgen, wobei die ent­sprechenden Steuerbefehle entweder per Funk übermittelt oder an Bord automatisch ermittelt werden.

Ansprüche

1. Ionentriebwerk für Objekte im Weltraum, vorzugsweise in Form von Raumfahrzeugen, dadurch gekennzeich­net, daß in einer sonnenbestrahlten Fläche (10) des Raumfahrzeugs (1) Oberflächenzonen (20₁ bis 20_n) mit einem leicht ablösbaren und ionisierbaren Material (3) in Form von kleinsten Partikeln, wie vorzugsweise Staubpartikeln, oder in Form von entsprechend leicht verdampfbarem Gas in einer ausreichenden Menge vorgesehen sind, so daß von der sonnen­bestrahlten Fläche (10) des Raumfahrzeugs (1) und von der bestrahlten Oberfläche der Staubpartikel Photoelektronen freigesetzt werden, die vor dieser Fläche (10) eine Raumla­dung (4) und damit ein Potential zwischen der Fläche (10) und der Raumladung (4) aufbauen, und das durch elektrostati­sche Kraftwirkung aus den Oberflächenzonen (20₁ bis 20_n) po­sitiv ionisierte und durch das Patential abgelöste Material (3) in einer für einen benötigten Schub erforderliche Menge beschleunigen.

2. Ionentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß eine für den benötigten Schub erforder­liche Menge an leicht ablösbaren, ionisierten Staubpartikeln (3) oder leicht verdampfbaren Gasionen (3) den in der sonnen­bestrahlten Fläche (10) ausgebildeten Zonen (20₁ bis 20_n) kontinuierlich nachgeliefert wird.

3. Ionentriebwerk nach den Ansprüche 1 und 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Zonen (20₁ bis 20_n) in der sonnenbestrahlten Fläche (10) in Form von Vertiefungen (2) oder Erhöhungen (7) mit entsprechenden Formen und Abmessun­gen ausgebildet sind, und daß die Zonen (20₁ bis 20_n) in der sonnenbestrahlten Fläche (10) von Inneren des Raumfahrzeugs (1) aus kontinuierlich mit leicht ablösbaren und ionisierba­ren Materialpartikeln (3) oder leicht verdampfbarem und ionisierbarem Gas (3) versorgbar sind.

4. Ionentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung und damit Steuerung des Triebwerkschubs die Größe der ionisierte Par­tikel liefernden Oberflächenzonen (20₁ bis 20_n) durch eine Blendenanordnung (6₁ bis 6₃) variierbar ist.

5. Ionentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung der Schubrich­tung des Triebwerks die gesamte sonnenbestrahlte Fläche (10) einschließlich deren ionisierte Partikel liefernden Vertie­fungen (2) oder Erhöhungen (7) um einen Winkel < 90° ge­genüber der Normalenstellung zur Sonnenstrahlrichtung dreh­bar ist, wobei die Bestrahlungsstärke und der davon abhängi­ge geringere Schub durch Öffnen von Blenden der Blendenan­ordnung (6₁ bis 6₃) völlig oder teilweise kompensierbar ist.

Zeichnung