Warum sind Ionentriebwerke so energiehungrig?

Ionentriebwerke brauchen viel Energie. Aber ich verstehe nicht warum. Ich verstehe also, dass es viel Energie braucht, um eine hohe Abgasgeschwindigkeit zu erreichen (da die kinetische Energie proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist), aber wir bekommen wenig Schwung. Das ist alles großartig. Aber die benötigte Energie kommt aus den Netzen. Die auf diesen Gittern vorhandene Ladung ändert sich nicht (aufgrund der Ionenoptik), daher können sie Teilchen für immer beschleunigen, solange die Ionisationskammer genügend Druck hat, um die Ionen in den Gitterraum eintreten zu lassen. Nun braucht es Energie, um das Gas zu ionisieren. Aber als ich es berechnet habe, ist es offensichtlich nicht in Kilowatt.

Die Wände der Kammern sind positiv geladen. Die Wände wirken wie eine Anode und nehmen die Elektronen aus dem Plasma auf. Ich habe mich also gefragt, ob das ständige Aufladen dieser Wände so viel Energie verbrauchen kann. Ich habe dann versucht, die dafür benötigte Energie durch die Kenntnis der Austrittsarbeit von Metallen zu berechnen und fand heraus, dass weniger als 100 Watt Energie benötigt werden. Ich bin mir ziemlich sicher, dass das falsch ist , aber ich verstehe nicht, warum Ionentriebwerke so energiehungrig sind.Schema des Ionentriebwerks

Ich spreche darüber, wofür wir Energie verwenden und wie sie sich in der Ionenstrahlenergie niederschlägt. Wie Ionisierung usw.; nicht, wie man die benötigte Energie berechnet.

Es ist nicht so klar, ob es bei Ihrer Frage um Verluste geht oder ob Sie nur die Grundstrahlleistung addieren, nachdem alle Verluste abgezogen wurden. Eine Möglichkeit, dies zu betrachten, ist Pe . eta = 0,5 .mdot Ve^2. Dabei ist Pe die elektrische Bruttoleistung, eta die Verluste und die rechte Seite die nutzbare Leistung im Strahl (mdot ist der Massendurchsatz, Ve ist die Abgasgeschwindigkeit). Die Beschleunigung von den Gittern muss die rechte Seite liefern und eine Kombination von Ineffizienzen führt zu eta. Vielleicht ist die Ionisationsenergie ein Hauptbestandteil von eta. Könnten Sie Ihre Frage in diesem Sinne ein wenig präzisieren?
Wenn die Ladung auf den Gittern der einzige Faktor wäre, würden Ionen beschleunigen, wenn sie sich dem Gitter nähern, und dann um den gleichen Betrag verlangsamen, wenn sie es verlassen. Es ist diese Energieerhaltungssache :-)
Hinweis zu OP, versuchen Sie, * an jedem Ende einer Linie zu verwenden, um sie hervorzuheben. Sonst wirkst du schreiend.
die Ionen bewegen sich schnell, das kostet viel Energie: E = 0,5 m v 2 aber der Impuls ist linear mit der Geschwindigkeit p = m v ,

Antworten (6)

Bei dieser Antriebsart ist zu beachten, dass die Ionen zuerst auf das positiv geladene Beschleunigungsgitter treffen. Die Ionen, die der Rakete den Schub verleihen, sind ebenfalls positiv geladen, sodass sie abgestoßen und in der Plasmakammer eingeschlossen werden. Die einzige Möglichkeit der Ionen, das Innere des Beschleunigungsgitters zu erreichen, ist Diffusion, was bedeutet, dass ein Ion bereits genügend kinetische Energie haben muss, um sich dem positiven Beschleunigungsgitter zu nähern und es zu durchqueren. Wenn ein Ion nicht genug kinetische Energie hat, um das positive Gitter zu passieren, wird es zurück in die Plasmakammer reflektiert und trägt nicht zur Beschleunigung der Rakete bei.

Die Ionen in der Plasmakammer verhalten sich insofern wie ein Gas, als sie einen weiten Bereich kinetischer Energien aufweisen. Nur die Ionen mit der höchsten Energie erreichen das Beschleunigungsfeld zwischen den Gittern. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Rate der in das Beschleunigungsfeld zwischen den Gittern eintretenden Ionen zu erhöhen: Erhöhung der Temperatur des Plasmas und Erhöhung der Dichte. Der erste Weg erhöht die durchschnittliche kinetische Energie der Ionen, wodurch mehr von ihnen das positive Gitter passieren und das Beschleunigungsfeld erreichen können. Die zweite erzeugt mehr Ionen, was mit hoher Wahrscheinlichkeit zu stärker beschleunigten Ionen führt.

Der Energieaufwand ergibt sich also daraus, das Plasma heiß und dicht genug zu halten, um genügend Ionen mit einer ausreichend schnellen Rate für den gewünschten Schub in das Beschleunigungsfeld zu bringen. Dies würde sogar in einer idealen Rakete ohne Verluste durch Wärmeverlust an den Wänden der Kammer, Ladungsverlust auf dem Gitter durch Ionen-/Elektronenabsorption, Ionenverlust durch Rekombination usw. zutreffen. Wenn es keine Energiezufuhr gäbe, Das Plasma würde abkühlen und dünner werden, wenn es seine Ionen mit der höchsten Energie an das Abgas verliert (Verdunstungskühlung). Schließlich würde die Plasmakammer nichts als Ionen mit niedriger Energie enthalten, die von den Wänden und dem positiv geladenen Gitter eingeschlossen werden und nicht entweichen können.

Aber wie wird das Plasma in einem Ionentriebwerk erhitzt? Die Energie wird also verbraucht, um den Druck aufrechtzuerhalten. Aber wie hält es den Druck aufrecht?
@Chandrahas Das Plasma wird durch den Aufprall der von der Hohlkathode beschleunigten Elektronen erhitzt. Die Elektronen treffen auf die Treibmittelatome, ionisieren sie und erhitzen sie. Druck ist nicht die Größe, an die Sie bei Ionenraketen denken sollten. Plasmadichte (Atome/cm 3 ) und Temperatur sind die relevanten Größen. Die Dichte wird aufrechterhalten, indem mehr Treibmittelatome in die Kammer injiziert werden. Die Temperatur wird aufrechterhalten, indem diese Atome mit dem ionisierenden Elektronenstrahl getroffen werden.
Entschuldigung, es ist lange her, aber können Sie bitte die Berechnung durchführen, das würde mir sehr helfen. Vielen Dank
@Chandrahas Welche Berechnung?
Die erforderliche kinetische Energie der Teilchen, um in den Beschleunigungsgitterraum einzutreten. (Die Ionentemperatur würde sich von der Elektronentemperatur unterscheiden, denke ich. Wie würden wir das berechnen)
Stellen Sie sich in erster Näherung ein Ion am positiven Gitter vor und lassen Sie es in die Plasmakammer zurückdriften. Es wird beschleunigt, bis es sich in einem unendlich weit entfernten Bereich der Nullspannung befindet. Seine kinetische Energie wird sein q v , wo q ist die Ionenladung und v ist die positive Gitterspannung. Drehen Sie die Zeit um, und ein Ion mit dieser Energie wird es gerade noch in das Beschleunigungsfeld von der Rückseite der Kammer schaffen. Es wird weniger Energie benötigt, da die Plasmakammer nicht unendlich lang ist und das negative Gitter die tatsächliche Spannung verringert, aber dies ist eine anständige erste Annäherung.
@Chandrahas Beantwortet dies Ihre Frage?

Auch ein herkömmliches Triebwerk mit zwei Flüssigtreibstoffen benötigt Energie. Aber es ist chemische Energie, die in den Treibmitteln gespeichert ist. Ionentriebwerke verwenden überhaupt keine chemische Energie, die gesamte Energie des Ionenstrahls stammt aus der vom Triebwerk verwendeten elektrischen Energie. Tatsächlich verbraucht ein herkömmliches Raketentriebwerk mit viel mehr Schub als ein Ionentriebwerk viel mehr chemische Energie.

Ja, genau richtig. Ich habe hier eine Antwort geschrieben, die auf eine andere Form des Antriebs abzielt space.stackexchange.com/questions/14201/… - Ich verlinke sie genauso, wie sie schön formatierte Gleichungen enthält. Diese Grundgleichungen gelten gleichermaßen für chemische und elektrische Energiequellen, irgendwo muss die Energie herkommen.
Ja, die potentielle Energie aufgrund der Ionen und der Gitter wird einfach in kinetische Energie umgewandelt und die Ladung auf den Gittern ändert sich nicht. Daher müssen wir Energie nicht direkt „liefern“. Vielleicht indirekt ... wie das Aufladen von Wänden, damit die Ionen überhaupt in den Gitterraum eindringen können? Wo liefern wir also physisch Energie?? Das verstehe ich nicht. Ich verstehe, dass die Energie irgendwo herkommen muss. (Aber kostet das Aufladen der Wände so viel Energie?)
Interessant, aber ich glaube nicht, dass dies die Frage beantwortet.
@Chandrahas: Die Gitter werden nicht nur geladen, es fließt ein Strom. Ohne Strom könnte der Ionenfluss nicht beschleunigt werden. Die Energie des Ionenstrahls stammt von der elektrischen Energie, die vom Ionentriebwerk verwendet wird.
Warum also nicht chemische Energie wie Brennstoffzellen nutzen, um die elektrische Energie für den Ionenmotor zu erzeugen?
@LocalFluff Ich glaube, Pfund für Pfund wäre es effizienter, nur chemische Brennstoffe zu verwenden, anstatt eine Brennstoffzelle, die an einen Ionenmotor angeschlossen ist. Die einzige Möglichkeit, wie ein Ionenmotor Sinn macht, besteht darin, Strom aus einer anderen Quelle wie Solarenergie oder einem Kernreaktor zu verwenden.
@SGR Ich dachte, dass die etwa zehnmal höhere Abgasgeschwindigkeit der Schlüssel zum Triumph des Elektroantriebs war, wie die Dawn-Mission demonstrierte. Aber Sie sagen, dass der Vorteil von SEP einfach darin besteht, Umgebungsenergie im Weltraum zu ernten!??
@Chandrahas Zu deinem Kommentar "Aber kostet das Aufladen der Wände so viel Energie?" Ich denke, dies kommt noch einmal darauf zurück, die Frage zu klären. Fragen Sie nach der Leistung zur Bereitstellung des Strahls, mdot Ve ^ 2, oder nach der Leistung, die durch Ineffizienzen verloren geht? Ihre Berechnung der Ionisationsenergie ist effektiv ein Verlust, da sie nicht zur Strahlleistung beiträgt. Sie scheinen von „so viel Energie“ überzeugt zu sein, dass viel Kraft im Spiel ist. Gehen Sie möglicherweise davon aus, dass die Ionisationsenergie einen großen Teil der Gesamtleistung ausmacht, und gehen Sie daher davon aus, dass Ihre Schätzung von 100 W falsch ist?
Ja. Ich bin davon ausgegangen, dass die meiste Energie in die Ionisation fließt. Jedenfalls meine ich keine Verluste. Ich spreche von einem idealen Motor. Warum muss ein Strom fließen und nicht nur 2 geladene Platten? Geht hier die Energie hin (Produktion des Strahls)?
Ja, der Großteil der elektrischen Energie fließt in die Strahlerzeugung. Sie können die Strahlleistung als (1/2) * Massendurchfluss * Ve^2 berechnen. Ich betrachte den Motor als eine Blackbox, die Schub erzeugt. In dieser sehr hohen Sicht ist jede Energie, die nicht im Strahl ist, ein Verlust, genauso wie bei einer chemischen Rakete jede Energie, die als Wärme (ein großer Teil) entweicht, ebenfalls ein Verlust ist. Aus dieser Sicht sind der Ionisierungsprozess und der zur Anode fließende Strom Verluste. Danach kann ich beim Grid-Beschleunigungsprozess nicht helfen, da gibt es viele Details.

Zunächst empfehle ich Ihnen einen Blick in Abschnitt 2.6 des Buches „Fundamentals of electric propulsion (…)“ der NASA-Forscher Dan Goebel und Ira Katz. Es ist kostenlos im Internet erhältlich und zeigt eine ziemlich gute Energiebilanz für ein herkömmliches Triebwerk. Hier ist der Link für das pdf: Fundamentals of Electric Propulsion .

Zweitens lautet die Gleichung zur Berechnung des Gesamtstromverbrauchs:

P = g 0 T ich s p 2 η T

Wenn beispielsweise ein Triebwerk 150 mN Schub mit einem spezifischen Impuls von 2000 Sekunden und einem guten Wirkungsgrad von 0,8 erzeugen würde, würde die Leistungsaufnahme bereits 1,875 kW betragen. Diese Gleichung wird im Abschnitt 2.5 desselben Buches demonstriert und leitet sich einfach aus der Beziehung ab:

η T = P j e t P ich n

Die kinetische Kraft des Strahls , Strahlkraft genannt, ist definiert als

P j e t = 1 2 m ˙ p v e 2 = T 2 2 m ˙ p

Daher wird, wie im Buch besprochen, der größte Teil der Energie einfach für die schiere Beschleunigung des Strahls verwendet. Alle anderen Leistungsaufnahmen (Ionisation, Wandverluste, Stöße an den Gittern etc.) gehen in den Wirkungsgrad ein und sind im Vergleich zur elektromagnetischen Beschleunigung des Strahls gering.

Aber meine Frage ist, wohin liefern wir die Energie physisch? Um die Wände aufzuladen? Das Gas ionisieren?...
Um die Rakete zu beschleunigen. Die Energie wird verwendet, um ein Feld zu erzeugen, das die Ionen in eine Richtung und das Triebwerk in eine andere beschleunigt. Jedes Mal, wenn sich ein Ion in diesem Feld bewegt, entzieht es dem elektrischen Feld Energie. Das meiste davon geht in einem Ionenstrom zwischen den positiven und negativen Gittern im Diagramm.
Ja, der größte Teil der Leistung wird durch die Beschleunigung selbst verbraucht. Der Rest des Verbrauchs (der kleinere Teil) ist auf Ionenverluste, Wandeffekte, Kathode usw. zurückzuführen. Im Buch gibt es eine Liste möglicher Effekte. Dennoch kann die wichtigste Potenz aus der idealisierten Gleichung, die ich gezeigt habe, berechnet werden.
+1 für die Einbeziehung von Mathematik, können Sie die Variablen auch hier beschreiben? Links neigen dazu, mit der Zeit zu brechen, Antworten wie diese sind viel besser, wenn sie auch für sich alleine stehen können, sodass zukünftige Leser immer noch daraus lernen können. Nur so etwas wie "...wo η T ist der..."

In gewisser Weise ist der wunderbar hohe ISP von Ionentriebwerken die Ursache ihres Energiehungers, unabhängig von den Einzelheiten ihres Betriebs.

Es funktioniert so: Wir brauchen eine bestimmte Menge an Delta-V (dafür ist ein Triebwerk schließlich da) oder formaler eine bestimmte Menge an Impuls J , und wir werden es bekommen, indem wir Masse über Bord werfen.

J = Δ m Treibstoff v Auspuff .
(Hier nehmen wir Δ m Treibstoff klein genug sein, um Terme hoher Ordnung zu vernachlässigen. Dies kann in differenziellen Begriffen geschrieben werden, um dies zu formalisieren, aber es ändert nicht wirklich das Argument.)

Jetzt berechnen wir die Energiekosten W dieser Wahl in Bezug darauf, wie viel Masse wir über Bord werfen (Schreiben K für kinetische Energie des Abgases relativ zum Raumfahrzeug):

W = Δ K = 1 2 ( Δ m Treibstoff ) v Auspuff 2 = J 2 2 Δ m Treibstoff .

Für einen festen Impuls erfordert die Verwendung von mehr Kraftstoffmasse also weniger Energie (unter Vernachlässigung der Effizienz des Antriebsmechanismus).

So gesehen sind Motoren mit sehr hohen Abgasgeschwindigkeiten eher schlechter als besser!

Aber wir verwenden sie trotzdem aus mehreren Gründen. Erstens überschattet die Tyrannei der Raketengleichung (mit ihrer exponentiellen Abhängigkeit vom Massenverhältnis) andere Überlegungen, zweitens erfordert der Start von der Oberfläche einen hohen Schub zu fast jedem Preis und drittens werden die Energiekosten für chemische Treibmittel bei der Herstellung bezahlt und nicht, wenn die Rakete ist betrieben und das bedeutet bodenseitig, wo Energie reichlich vorhanden ist.

Bei Satelliten- und Sondentriebwerken dominiert die Massenfraktionsfrage.

Eine Beschreibung, wie effizient der Ionenmotor ist, würde diese Antwort verbessern. Wenn dies einen großen Prozentsatz des Energieverbrauchs der Ionenmaschine erklärt, löst dies teilweise das Problem des OP; Wenn es nur einen extrem kleinen Prozentsatz erklärt, löst dies das Problem des OP nicht.

Die Grundlage der Raketentechnik ist die Erhaltung des Impulses:

p = m v (Impuls = Masse * Geschwindigkeit)

Da der Impuls erhalten bleibt, ist die Impulsänderung des Treibmittels gleich der Impulsänderung des Raketenkörpers.

Außerdem: Die Energie eines sich bewegenden Objekts wird durch die kinetische Energiegleichung definiert:

K E = 1 2 m v 2 (Kinetische Energie ist gleich der Hälfte der Masse mal der Geschwindigkeit im Quadrat)

Beachten Sie, dass der Geschwindigkeitsterm in der ersten Gleichung linear und in der zweiten quadriert ist.

Wenn Sie zum Beispiel die Geschwindigkeit Ihres Treibstoffs verdoppeln und dabei die Masse halbieren, bleibt die Impulsänderung gleich, aber die Energie, die erforderlich ist, um diese Änderung zu erreichen, hätte sich verdoppelt!

Ionentriebwerke erscheinen also "energieineffizient", weil sie Treibmittel mit geringer Masse auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigen.

In einigen Anwendungen ist dies völlig in Ordnung: Es ist teuer, Masse in die Umlaufbahn zu bringen, daher kann es sinnvoll sein, einen weniger "energieeffizienten" Motor zu verwenden, um Masse an Treibmittel zu sparen. Die Treibgeschwindigkeit definiert auch die Obergrenze in der Raketengleichung, sodass theoretisch höhere Endgeschwindigkeiten möglich sind. In anderen Fällen ist diese Eigenschaft nicht wünschenswert.

Zusätzlich zu der von anderen beschriebenen Hauptursache: Über die gesamte Abgasenergie, die von der Stromversorgung kommt, im Gegensatz zur chemischen Energie des Treibmittels, gibt es in fortschrittlicheren Ionentriebwerken wie VASIMR eine weitere "Senke" für all diese Elektrizität.

Ihr normaler chemischer Motor besteht aus überlegenen Legierungen, die hohen Temperaturen und hohem Druck standhalten, mit einem aktiven Kühlsystem, um zu verhindern, dass sie schmelzen und auseinandergerissen werden - und das alles für eine um eine Größenordnung niedrigere Antriebsenergie als die, die Ionenmotoren handhaben.

Der ionisierte Treibstoff, beschleunigt auf Dutzende von Kilometern pro Sekunde, würde wie ein extrem heißes, extrem abrasives Plasma wirken, das mit allen Düsen, Gittern, im Allgemeinen allen festen Strukturelementen des Antriebs, kurzen Prozess machen würde. Einfachere Laufwerke gehen einfach damit um - lassen Sie es geschehen, verkürzen die Lebensdauer des Laufwerks und setzen eine Obergrenze für das erreichbare Delta-V, denn bevor Ihnen das Treibmittel ausgeht, stirbt das Laufwerk. Die Fortgeschrittenen verwenden das einzige "Material", das mit dieser Art von Bedingungen umgehen kann und vollständig und sofort "selbstheilend" ist: das Magnetfeld. Bei VASIMR zum Beispiel berührt das Gas an keinem Punkt hinter dem Ionisierungssystem jemals die Strukturelemente; Es ist vollständig in einem ganzen, ziemlich komplexen "Rohrleitungssystem" gefangen, das vollständig aus Magnetfeldern besteht.

...und Sie brauchen viel Strom, um diese Elektromagnete am Laufen zu halten. Schließlich müssen sie stark genug sein, um Partikel mit mehreren Dutzend km/s aufzuhalten und abzulenken – völlig unabhängig von all den leistungshungrigen Systemen, die die Partikel auf diese Geschwindigkeit beschleunigen.

Warum können wir nicht stattdessen Elektromagnete verwenden? Das Magnetfeld ist nicht zeitabhängig, richtig?
@Chandrahas: Wir verwenden Elektromagnete - meinst du vielleicht Permanentmagnete? Ich kann diese Frage nicht beantworten, Plasmaphysik jenseits meines Wissensstandes - wahrscheinlich der gleiche Grund, warum wir sie nicht in einem Stellator verwenden können ...
Ja. Entschuldigung, ich meinte dauerhaft
Warum sind Ionentriebwerke so energiehungrig?
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