hallo raketenfreunde,
hat sich eigendlich schon jemand mal
mit dem thema der ionentriebwerke auseinandergesetzt ?
man hat ja schon einiges von dieser
technologie gehört, aber sie scheint ja
keinen großen erfolg bis jetzt gehabt zu
haben...
... wahrscheinlich wegen dem hohen energie
aufwand ?!?
naja, wer hat sich mit der thematik denn mal
befasst, bzw. was sind ionentriebwerke eigendlich genau - wie funktionieren sie ?
gibt es schon erfolgreiche prototypen ?
ciao
faust

...aber sicher habe ich mich damit auseinandergesetzt. Und die wurden (eigentlich werden) auch sehr erfolgreich eingesetzt. Im Moment habe ich leider keine Zeit um hier mehr darüber zu schreiben, aber Du kannst ja mal bei der NASA.gov vorbeisurfen und mal nach "ion drive" und "deep space 1" suchen. Das sollte schon etliche Fragen beantworten.

Hi,
noch so eine Frage. Erst GPS und dann Ionentriebwerke.
Wie Stefan W. schon schrieb, wird zur Zeit eine Raumsonde damit angetrieben. Somit ist das also keine Fiktion mehr.
Funktionsprinzip
In einem Ionentriebwerk kommen Ionen als "Treibstoff" zum Einsatz. Ionen sind elektrisch geladenen Teilchen. Kurz zur Theorie. Jedes Atom besteht aus Elektronen, Protonen und Neutronen. Die Anzahl der Elektronen und der Protonen sind so ausgelegt, das ein Atom nach außen elktrisch neutral ist. Jetzt kann ich aber dem Atom entweder ein Eletron aufzwängen oder eines wegnehmen. Dadurch wird dann das Atom geladen. Hat es ein elektron zuviel, ist es negativ geladen. Hat es ein Elektron zuwenig, ist es positiv geladen. Der Vorgang des ionisieren, kann auf unterschiedliche Weise von statten gehen. In der Regel durch erhitzen auf einige tausend K.
Mit Hilfe eines elektrischen Feldes (Plattenkondensator) kann ich die Ionen beschleunigen. Habe ich ein negativ geladenes Ion (ein Elektron zuviel), so wird es vom Minuspol zum Pluspol beschleunigt. Leider ist die technische Stromrichtung nciht gleich der physikalischen Richtung. deswegen fließt der eigentliche Strom (die Eletronen) von Minus nach Plus.
Mit Magneten kann ich den Teilchenfluß fokusieren und lenken aber nicht beschleunigen. In die Kondensatorplatte, wo die Ionen hingezogen werden, wird ein Loch angebracht. Durch dieses Loch strömen dann die Ionen ins All. Kurz nach dem austreten müssen die Ionen aber wieder entladen werden, da sie sonst abbremsen und zur Kondensatorplatte zurück fliegen. Währe das so, würde der Motor keinen Schub produzieren.
Bei der Raumsonde Deep Space 1 wird der Ionenstrom positiv geladen und nacher dann mit Elektronen beschoßen. Man könnte aber auch zwei Motore bauen. Der eine Arbeitet it positiven Ionen und der andere mit negative Ionen. Im abgasstrahl werde die dann neutralisiert.
Die für den Schub entscheidenen Größen sind:
- Plattenabstand Je größer desto größer ist auch die Beschleunigungsstrecke und somit v.
- Spannung zwischen den Kondensatorplatten. Je größer desto mehr Beschleunigung.
- Ladung der Teilchen. Man kann auch mehr als ein Elektron entfernen. Je größer die Ladung desto stärker wird das Ion vom Kondensator beschleunigt.
- Masse des Ion. Je schwerer desto mehr Schub, ist klar. Deswegen nimmt man für Ionentriebwerke auch so abgefahrene Elemente. Am besten schwer, gasförmig und leicht zu ionsieren.
Ein Physikbuch wird da sichelrich den Formelen Zusamemnhang liefern.
Jetzt habe ich da aber auch eine Frage.
Bei dem ganzen System ist die Spannung des Kondensators die treibende Kraft. Diese wird aber nich weniger, da ja kein Ladungsaustausch stattfindet. Wo bitteschön kommt dann die Energie her, um die ganze Sache zu beschleunigen?
Das dann auch zu dem Energieverbrauch. Die Dinger sind das effektivste was man bis jetzt hat. Ein chemisches Triebwerk ist dagegen eine Energieschleuder pur. Das Problem ist der gigantische Schub von ein paar miliNewton. Dafür kann das Triebwerk aber permanet laufen.
Bis dann.

Zitat:

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Das Problem ist der gigantische Schub von ein paar miliNewton.

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gibt es möglichkeiten dieses evtl. zu steigern, oder wird das technisch schwierig?
ansonsten wären die dinger auf erd bedingungen doch ziehmlich nutzlos mit "miliNewton"... oder täusch ich mich da?

Hi,
gibt es möglichkeiten dieses evtl. zu steigern, oder wird das technisch schwierig?
ansonsten wären die dinger auf erd bedingungen doch ziehmlich nutzlos mit "miliNewton"... oder täusch ich mich da?
Man kann den Schub sicherlich steigern. Indem man den Motor länger macht. Das ergibt dann ungefähr die gleichen Lösungen wie bei Teilchenbeschleunigern. Was jetzt gestartet wurde sind ja eigentlich noch Versuchtriebwerke mit einer größe von einer normalen Raumsonde. Würde man die Treibstoffkapazität erhöhen sowie die Beschleunigungsspannung und die Länge, kommt da sicherlich mehr Leistung heraus.
Für einen Start von der Erde sind die Triebwerke aber dennoch ungeeignet, da diese ein Vakuum brauchen. Das ganze Gebilde ist nichts anderes als eine Bildröhre.
Da fällt mir noch ein Vergleich ein. Die Austrittgeschwindigkeit des Ionentriebwerkes liegt glaube ich bei 100 kkm/h. In Teilchenbeschleunigern schaft man schon 99% der Lichtgeschwindigkeit. Stoßen dan zwei Elektrone zusammen, wird soviel Energie frei, als ob man zwei S-Klasse crashed.
Bis dann.

Hallo Neil,
Du schriebst:

Mit Magneten kann ich den Teilchenfluß fokusieren und lenken aber nicht beschleunigen.

Oh doch, sicherlich!
Jede Fokussierung ist eine Beschleunigung, man treibt doch die Ionen zusammen!
Wie lenkst Du, ohne Dich zu beschleunigen?
Zum Beispiel ist eine Kreisbewegung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit ein vollkommen beschleunigte Bewegung. Nur zeigt die Beschleunigung nicht in Bewegungsrichtung, demnach tangential, sondern radial. Ein Kreisbahn ist nur durch eine stete radiale Beschleunigung möglich!
Darauf basiert jeder elliptische Teilchenbeschleuniger! (Ein Kreis ist nur eine Form eines Ellipsoids)
Die radial angreifende Kraft nennt sich Lorentzkraft.
F=e*v X B ...Mist, keinen Formeleditor zu Hand-->Admins?
Also: F= vektorielle Kraft, senkrecht auf v und B, e= Elementarladung, v= Geschwindigkeitskomponente des Teilchens senkrecht zu B und F, X= Kreuzprodukt wg. Rechnung in mehreren Dimensionen, B= vektorielles Magnetfeld senkrecht zu v und F
Dazu gibt es eine einfache Dreifingerregel:
Daumen (F), Zeigefinger (v) und Mittelfinger (B) ausstrecken. Mittelfinger dabei senkreckt zur Handfläche strecken.
Alle drei Finhger sind rechtwinkelig zueinander und verdeutlichen die Richtungen der Komponenten.
Demnach: Sowohl elektrische Felder als auch magnetische Felder beschleunigen elektrische Ladungen!
Viele Grüße,
Hendrik

Hi,
das ist alles richtig was du da sagst, es war mir auch bekannt.
Bloß der Einfluß eines Magnetfeldes auf eine elektrische Ladung ist gleich null, wenn diese Ladung keine vorhandene Eigenbewegung hat.
Wenn man sich die Konstruktion des ersten Cyklotron anschaut, waren das zwei große Magnete mit einem Splatt zwischen dehnen. Darin kreist das Elektron. Je nach Feldstärke und Geschwindigkeit auf einer anderen Bahn (Radius). Ohne elektrisches Feld würde das Elektron aber nicht schneller oder langsamer werden. Es müssen also noch Kondensatoren in den Spalt eingebaut werden, die nach jeder Runde des Elektron ihm wieder einen neuen Impuls geben.
Man kann sich das auch so vorstellen.
Ein elektrischer Fluß erzeugt ein Magnetfeld um einen Leiter der nach der rechten Hand Regel bestimmt werden kann. Ruht der Fluß (I=0) dann haben wir auch kein Magnetfeld.
Ein einzelnes Elektron erzeugt auch ein Magnetfeld, da es im Prinzip einen elektrischen Fluß darstellt. Im Vakuum passiert das dann ohne Leiter.
Da in der Gleichung für die Lorenzkraft die Vektoren des Magnetfeldes und die Stromrichtung eingehen, ergibt das für ein ruhendes Elektron keine Richtung somit Null, also auch keine Beschleunigung.
Wenn ich also ein Ionentriebwerk bauen möchte, komme ich nicht ohne Kondensatoren aus.
Bis dann.

Hallo Neil,
richtig! Ich denke wir werden aber jetzt ein wenig zu speziell.
Eine Beschleunigung ist bei beiden Kräten drin, egal ob magnetisch oder elektrisch induziert. Der evidente Unterschied der Wirkungen ist jener, daß der Beschleunigungsvektor eines E-Feldes in Richtung der Geschwindigkeitsvektors zeigt. -----> Spalt im Zyklotron, geradelinige Bewegung
Und im Falle einer magnteisch induzierten Wirkung, ein Winkel von 90 Grad zwischen dem Geschwindigkeits- und dem Beschleunigungsvektor vorherrscht ---->Kreisbahnen in den Halbschalen des Zyklotrons
Insofern liegen wir beide richtig, der eine sprach nur geradelinig und der andere krummlinig :-)))
Viele Grüße,
Hendrik

Hi,
noch ein bißchen Fachgesimpel .
Die Art von Beschleunigung die wir brauchen, ist eine die das Teilchen absokul schneller werden läst, mit Energie auflädt.
Mal eine andere Frage:
Ein Feld (egal ob magnetisch oder elektrisch) verändert den Vektor eines geladenen Teilchens. Geschieht das auch wenn das Feld den gleichen Vektor hat?
Es gibt da eine sogenannte Nullmaschine. Diese läst ein Magnetfeld und einen Leiter mit der gleichen Geschwindigkeit drehen. Es gibt also kein Delta v. Trotzdem wird eine Spannung induziert.
Mehr dazu bei: www.hcrs.htl-hl.ac.at-index.htm
Bis dann.

Hallo,

Zitat:

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Original erstellt von Neil:

Jetzt habe ich da aber auch eine Frage.
Bei dem ganzen System ist die Spannung des Kondensators die treibende Kraft. Diese wird aber nich weniger, da ja kein Ladungsaustausch stattfindet. Wo bitteschön kommt dann die Energie her, um die ganze Sache zu beschleunigen?

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Die Frage hat mich doch ganz schön verwirrt ;-) Ich hab also einen Physiker dazu gebracht, mein Wissen aus den Physikpraktika A.D.1985 wieder zu aktivieren. Und siehe da: Ein klein wenig hab ich noch verstanden.
Durch das Feld des Kondensators wird ja auch ein Potential erzeugt. Ein ruhendes Teilchen im Feld hat somit zwar keine kinetische Energie, aber potentielle. So wie der berühmte Apfel, solange er noch am Baum hängt. Tritt das beschleunigte Teilchen aus, hat es die kinetische Energie, allerdings keine potentielle mehr. Für eine genauere Rechnung müßte man auch noch die Änderung des Feldes bei An- oder Ab-wesenheit geladener Teilchen berücksichtigen.
mfg
Christian