Warum nutzen Ionentriebwerke exotherme Reaktionen nicht direkt, um das Gas zu ionisieren und das Plasma aufzuheizen?

Ionenmotoren benötigen die Ionen, um ionisiert zu bleiben

Um brauchbar effizient zu sein, muss ein Ionentriebwerk einen wesentlichen Teil des Treibmittels ionisieren und es ionisiert halten, bis es den größten Teil des positiven elektrostatischen Potentialgradienten zu dem Potential durchläuft, das dem lokalen freien Raum zugewiesen ist. Ich werde hier nicht "Masse" sagen, aber die Zuweisung von Null ist willkürlich.

Es ist die elektrostatische Beschleunigung der Ionen, die der "Schub" des Motors ist.

Das bedeutet, dass der Druck des Plasmas niedrig genug sein muss, damit die Ionen und Elektronen nicht zu stark rekombinieren. Bei einigen Konstruktionen, die Elektronen-Zyklotron-Resonanz verwenden, muss das Vakuum so niedrig sein, dass die Elektronen vor einer nützlichen, ionisierenden Kollision auf hohe Energie beschleunigen können. Dieser niedrige Druck ist viel zu niedrig, um eine anhaltende chemische Reaktion zu ermöglichen.

Das Zeug brennt nicht in einem Beinahe-Vakuum

Die größte Aufgabe eines Ionenmotors besteht darin, weiterhin hochenergetische Elektronen zu erzeugen, um das neutrale Gas, das ständig in die Kammer eingeführt wird, weiter zu ionisieren. Es gibt dann so wenige Kollisionen, dass die Reaktion eines Sauerstoff/Wasserstoff-Atompaars keine benachbarten Atome zu einer ähnlichen Reaktion veranlassen würde. Es wäre nicht selbsterhaltend, und tatsächlich würde fast der gesamte Wasserstoff und Sauerstoff unreagiert aus dem Motor austreten.

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Das Ionentriebwerk sollte so einfach wie möglich sein und die Treibmasse effektiv nutzen. Warum drei Gase verwenden, wenn die Verwendung von Xenon nur funktioniert? Die Treibmasse soll total beschleunigt werden, nicht nur der Xenonanteil. Nutzt man die volle Wärme einer Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff, muss die Brennkammer gekühlt werden, um ein Schmelzen zu verhindern. Ein Ionentriebwerk wird aufgrund des geringen Schubs für lange Missionen verwendet, aber flüssiger Wasserstoff und Sauerstoff können nicht so lange gespeichert werden. Hochdrucktanks für gasförmigen Wasserstoff und Sauerstoff sind schwer. Xenon ist ein sehr schweres Gas, ein Tank für die gleiche Gasmasse könnte für Xenon viel kleiner und leichter sein als für Wasserstoff oder Sauerstoff. Die Menge an elektrischer Energie, die für die Erwärmung und Ionisierung von Xenon verwendet wird, ist viel kleiner als die, die für die Beschleunigung von Xenon verwendet wird. Du nicht

Chemische Energie könnte nur etwa 2 % der Energie liefern, die ein elektrisch beschleunigtes Ion bekommt.

Denn was Sie gerade beschreiben, ist eine normale Rakete mit Flüssigbrennstoff.

Die Effizienz eines Raketentreibstoffs wird durch seine Austrittsgeschwindigkeit bestimmt. Diese Geschwindigkeit hat für jede Brennstoffart einen Maximalwert.

Wenn Sie Wasserstoff verbrennen, können Sie ungefähr erreichen$4\ 400 \frac{\text{m}}{\text{s}}$. Ionentriebwerke reichen über$29\ 000 \frac{\text{m}}{\text{s}}$

Außerdem können wir flüssigen Wasserstoff/Sauerstoff nicht lange speichern. Für eine Weltraummission ist dies ein Problem.