Ion Drives spezifischer Impuls etwas von einer falschen Sparsamkeit?

Ich habe mit einem Freund von mir ein Gedankenexperiment durchgearbeitet, wobei einige meiner vorherigen Fragen bereits (sehr hilfreich) hier beantwortet wurden :)

Hier ist die aktuelle Ausgabe, die ich habe - Motoren.

Mein Projekt ist also ein ziemlich großes 'Schiff', das nicht besonders schnell irgendwo hinkommen muss, aber auch nicht zu lächerlich langsam sein darf. Da chemische Raketen riesige Mengen an Treibstoff benötigen würden, schien es die bessere Lösung zu sein, stattdessen mit einem Ionenantrieb zu fahren.

Aufgrund der Masse des Schiffes bedeutete dies jedoch, ein paar VASIMRs zu stapeln. Was Xenon (oder welches Treibmittel auch immer) betrifft, ist es ziemlich gut. Eine konstante (sehr kleine) Beschleunigung wird die Dinge allmählich aufnehmen. Wenn Sie 200 MW Strom erzeugen können.

Und hier stoße ich auf die nächste Mauer und die „falsche Ökonomie“. Um diese Art von Strom zu erzeugen, bräuchte man 150.000 m3/h Wasserstoff (in einem Wasserstoffgenerator). Ich kann keine Informationen über die Verwendung von Kernbrennstoff finden, aber ich vermute, dass es nicht unbedeutend ist. Es sind anscheinend auch etwa 800 Hektar Sonnenkollektoren.

Während der Ionenmotor in Bezug auf das Treibmittel viel sparsamer ist, scheint er dies gegen eine andere Art von Kraftstoff einzutauschen. Was für kleine Sonden, die Sonnenenergie nutzen können, in Ordnung ist, aber nicht für die großen Jungs.

Ich bin also auf eine Wand gestoßen, bei der wir selbst für Reisen mit relativ kurzer Reichweite (wie zum Mars oder zum Asteroidengürtel) nicht in der Lage zu sein scheinen, ein Schiff an unser Ziel zu bringen.

Ich habe dies geschrieben, um hauptsächlich meinen bisherigen Prozess zu erklären und um die Frage zu stellen -

Wie könnte man ein Schiff mit einer Masse von vielen hundert (vielleicht tausenden) Tonnen antreiben, von LEO bis LMO oder den Asteroidengürtel? Zu Lebzeiten der Menschen an Bord, vorzugsweise haha. Denn ich bin ratlos.

Was ist ein Wasserstoffgenerator?
Wasserstoff-Brennstoffzellen-Stromgenerator. Keine Ahnung, wie es funktioniert.

Antworten (3)

Verbrennen Sie den Wasserstoff in einer Brennstoffzelle, um den Strom für einen Ionenantrieb zu gewinnen? Das halte ich nicht für klug. Sie würden mehr Delta / V erhalten, wenn Sie Wasserstoff und Sauerstoff in einer herkömmlichen Rakete verwenden.

Eine Kernreaktor-Brennstoffmasse, die meiner Meinung nach unerschwinglich wäre. Laut dieser Website würde die Erzeugung von 200 MW für ein Jahr etwa 5 Tonnen Brennstoff erfordern. Sie bringen viel mehr Xenon für Ihre Reaktionsmasse mit. In ausreichend großem Maßstab ist Kernkraft für ein interplanetares Schiff so etwas wie ein Kinderspiel.

Hinweis: Die 5-Tonnen-Zahl gilt für schwach angereicherten Kraftstoff; Für Weltraumanwendungen möchten Sie wahrscheinlich eine höhere Anreicherung verwenden, was die erforderliche Kraftstoffmasse verringern würde.

Ich habe Wasserstoff hauptsächlich als Beispiel verwendet, aber auch als etwas, das zumindest eine vernünftige Chance hat, an anderen Orten im Sonnensystem gewonnen zu werden. Exotische Brennstoffquellen werden ausgehen und viel schwerer zu ersetzen sein (glaube ich?)
Wenn Sie den Wasserstoff in irgendetwas "verbrennen" , müssen Sie eine Art Oxidationsmittel mitbringen. Die Brennstoffzelle ist da keine Ausnahme.
@niurin - Ich weiß nicht, warum wir im Asteroidengürtel keine großen Mengen Uran finden könnten - kleineres Delta-V, um es herauszuholen, als alle Wasserstoffquellen, die mir einfallen.
Es gibt keine Brennstoffzellen, die nur mit Wasserstoff arbeiten, sie brauchen auch Sauerstoff.
Wenn Sie Treibstoff ernten möchten, ist eine nukleare Thermalrakete möglicherweise besser. Oder noch einmal chemisch.
Das Problem bei der Umstellung auf Kernenergie ist nicht die Masse des Kernbrennstoffs (die sehr gering ist), sondern die Masse des Kernreaktors selbst, die viel größer ist. Haben Sie Quellen mit Zahlen für die erwartete Masse eines 200-MW-Weltraumkernreaktors?

Ja, Ionenmotoren sind insofern eine Art falsche Sparsamkeit, als sie zusätzlich zu ihrer Masse und ihrem Treibmittel (z. B. Xenon) auf elektrische Energie angewiesen sind.
Im Vergleich zu einem chemischen Raketentriebwerk, bei dem Triebwerksmasse, Schub, spezifischer Impuls plus Treibmittel (und die Masse der Tanks, um es zu speichern) alles sind, was Sie zum Planen eines hypothetischen Raumschiffs benötigen, müssen Sie hier die Masse von hinzufügen das Ding, von dem du Strom bekommst.

Einige Zahlen für Kernenergie:

  • TOPAZ- Raum, geflogen in den 80er Jahren, 5 kW für 320 kg = 15,6 kW/Tonne
  • KRUSTI in Entwicklung, möglicher Wert 43,3 kW ab 226 kg = 191 kW/Tonne

Denken Sie jedoch daran, dass Kernkraft zusätzlich zur elektrischen Energie normalerweise viel Wärme erzeugt, sodass Sie möglicherweise einige große Heizkörper benötigen. Eine andere Zahl für KRUSTY im selben Link ergibt 335 kg für 1 kW und 1120 kW für 10 kW für das gesamte Paket (nicht nur den Reaktor), einschließlich Wärmeabfuhrkomponenten.
Das ist viel schlechter als 191 kw/t und eher 10 kw/t.
Der ermutigende Teil ist, dass der 10-kW-Reaktor im Vergleich zum 1-kW-Reaktor nicht die 10-fache Masse benötigte. Es kann sein, dass ein Kernreaktor mit 200 MW ein viel besseres Verhältnis von Leistung zu Gewicht hätte.
Beachten Sie, dass die Kernbrennstoffmasse nur einen sehr kleinen Prozentsatz des Gewichts in den obigen Zahlen ausmacht.

Einige Zahlen für Solar:

  • Sie können bis zu 500 kW/Tonne erreichen! Siehe diese Frage .

Ich denke, Sie können 200 MW in 300-kW-Schritten bei 150 kW/Tonne bekommen, also 1333 Tonnen insgesamt, mit einer Fläche von 785000 M 2 (dieser skaliert linear von 20kw mit 78.5 M 2 ), mit etwas "bewährter" Technik (siehe UltraFlex , MegaFlex ).

Die THINS- Solarzellentechnologie, auf die in der obigen Frage verwiesen wird, könnte sogar noch besser sein (500 kW/Tonne), aber ich habe die Zahl nicht gefunden k w / M 2 , nur k w / M 3 (das ist, wenn Panels gespeichert werden).

Ich weiß nicht, wie mühsam es wäre, so viele von ihnen zusammenzubauen.
In der Tat ist es mühsam, 1333 Tonnen zu heben, aber Sie gehen bereits von einem Raumschiff mit Tausend Tonnen aus, also ... Auch Ihre Zahl von 200 MW würde bedeuten, dass Sie 1000 VASIMIRs (1 VASIMIR = 200 kW) haben ... also denke ich, dass sie bereits einige Tonnen wiegen werden !

"Auch Ihre Zahl von 200 MW würde bedeuten, 1000 VASIMIRs (1 VASIMIR = 200 kW) zu haben." Ja, am Ende hatte ich ungefähr 5000 N Schub. Was nur dazu führt (wenn meine Mathematik stimmt), dass 5 Tonnen mit 1 m / s2 geschoben werden. 1000 Tonnen (oder zwei ISS) wären also ... 0,005 m/s2? Das klingt immer noch extrem langsam, aber um ehrlich zu sein, hatte ich keine Gelegenheit herauszufinden, wie viel tatsächliche Beschleunigung sich über eine tatsächliche Reise summiert. Es scheint, dass es für ein 1000-Tonnen-Schiff (ohne Treibstoff) etwa 200 Tage dauern würde, um den Asteroidengürtel zu erreichen. Oder ungefähr 80 Tage, um zum Mars zu gelangen. Ich bin mir nicht sicher, ob das gut oder schlecht ist!
0,005 m / s2 können sich in etwa 14 Tagen zu 6000 m / s summieren, wobei 6000 m / s ungefähr das deltaV sind, das Sie von LEO zum Mars Low Orbit benötigen (ich könnte mir vorstellen, dass ein so großes Raumschiff auf LEO gebaut würde und dann einfach zurückgehen und zwischen LEO und Mars Low Orbit). 80 Tage zum Mars ist gut! Wie hast du das bekommen? Beachten Sie, dass 6000 m / s deltaV für "normale" Umlaufbahntransfers zwischen Erde und Mars mit chemischen Raketen gelten. Bei einer sehr geringen Beschleunigung ist es möglich, dass Sie MEHR als 6000 m / s benötigen.
Tut mir leid, dass ich das dumme Ding gemacht habe und es aus der Entfernung gemacht habe, anstatt das erforderliche deltaV. Ich bin es immer noch nicht gewohnt, in deltaV zu denken. Wie lange würde es für ein 1.000.000 kg schweres Schiff mit 0,005 m/s2 dauern, um von LEO zu LMO zu gelangen? -- und ja, das Schiff würde in Umlaufbahnen beginnen und enden, es würde niemals von der Erde gestartet werden, viel zu teuer!
Wenn Sie wissen, dass Sie 0,005 m/s2 erhalten, ist die Masse irrelevant. Ich weiß nicht, welchem ​​Weg Sie mit einer so geringen Beschleunigung folgen können - ich habe an anderer Stelle auf dieser Website gelesen, dass der Ionenantrieb 50% länger dauern könnte als der chemische für Marsbahnen. Allerdings habe ich im Moment keine Quelle mit einer für Ionenantriebe geplanten Marsbahn. Die Starfish Prime-Antwort gibt eine (Trennen der Nutzlast, die möglicherweise nicht Ihre Idee ist).
Eine Sache, die ich in meiner Antwort nicht gesagt habe (aber in Starfish Prime vorhanden ist), ist, dass die Sonnenenergie durch die Entfernung von der Sonne beeinflusst wird (in Marsentfernung erhalten Sie etwa die Hälfte der Sonnenenergie, dh die Bestrahlung).

Ein Missionsprofil, das für das VASIMR ausgedacht wurde, besteht darin, zunächst näher an die Sonne zu reisen, um den stärkeren Sonnenfluss zu nutzen, um den Motor mit hoher Leistung zu betreiben, eine Nutzlast auf einer langen Ausrollbahn freizusetzen und das Trägerfahrzeug wieder zu verlangsamen, um zur Erde zurückzukehren .

VASIMR-Ejektorkonzept

Die Idee ist derzeit noch etwas unausgegoren (die Motorleistung ist noch nicht da, die Massenverhältnisse sind zu hoch, es ist nicht praktikabel, das Startschiff zu bergen, an eine Rückkehr vom Zielort wurde nicht gedacht), aber es zeigt, dass es möglich ist, eine elektrisch angetriebene Rakete ohne Kernreaktoren einzusetzen.

In diesem Fall beträgt die Flugzeit 3 ​​Jahre, was bequem innerhalb der Lebenszeit jeder Besatzung liegen sollte, obwohl diese Lebenszeit etwas verkürzt werden kann, wenn man 3 Jahre im interplanetaren Raum verbringt ...

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