Welche Leistungsspezifikation wäre für Krypton niedriger als für Xenon in Hall-Effekt-Triebwerken?

Hall-Effekt-Triebwerke verwenden keine starken Magnetfelder und Hochfrequenzenergie, um Elektronen auf hohe Energie für die Ionisierung des Gases zu erhitzen. Stattdessen verlassen sie sich auf einen Gleichstrom von Elektronen, die auf einige hundert Volt beschleunigt werden und zur Ionisierung durch das Gasvolumen fließen. Da Krypton ein höheres Ionisationspotential als Xenon hat ( ungefähr 14,0 gegenüber 12,1 eV ), ist entweder die Ionisationseffizienz geringer oder es wird eine höhere Kathodenleistung benötigt.

Außerdem benötigen die Elektronen mit höherer Energie ein höheres Magnetfeld, um sie einzudämmen, was den Spulenstrom und die Masse des Magnetkreises erhöht. Die Elektronen mit höherer Energie erodieren das Triebwerk auch schneller, wodurch die nutzbare Lebensdauer verringert wird.

Die höhere Geschwindigkeit von Krypton (bei einem gegebenen Beschleunigungspotential) bedeutet einen höheren Isp, aber einen geringeren Gesamtschub und/oder eine geringere Energieeffizienz. Beim Elektroantrieb tauschen Sie das Verhältnis von Schub zu Leistung und Isp. Es ist alles basierend auf Missionsimpulsen und Zeitplänen einstellbar. Hall-Triebwerke haben einen niedrigeren Isp, aber mehr Schub, während Ionen-Triebwerke einen viel höheren Isp, aber einen weit geringeren Schub haben. Verwenden Sie also für lange Missionen mit hohem Impuls (wie Dawn) Ionensysteme, während orbitales Zeug dazu neigt, besser mit Hall-Systemen zu handeln.

Eine weitere Änderung bezieht sich auf das Drehmoment, das von einem Hall-Strom-Triebwerk erzeugt wird. Während die Ionen durch das Plasma beschleunigt werden, gibt das radiale Magnetfeld, das die Plasmaelektronen einfängt, den sich entfernenden Ionen einen kleinen Stoß. Dadurch entsteht ein Drehmoment entlang der Schubachse. Es ist nicht groß, weil das Verhältnis von Ladung zu Masse der Xenon-Ionen sehr gering ist, aber es ist groß genug, dass es kompensiert werden muss. Krypton hat ein höheres Verhältnis von Ladung zu Masse, sodass die Winkelablenkung größer ist. Dies erhöht das Drehmoment relativ zum Schub und erfordert mehr Kompensation. Je nachdem, wie viele Triebwerke sie verwenden, könnte dies die Wartung der Umlaufbahn erschweren.

Quelle und Quelle

Höhere Leistung erforderlich für die gleiche Schubeffizienz

Zur Bestätigung der Antwort von @ RocketDocRyan ist für dieselbe Schubeffizienz für Krypton eine höhere Leistung erforderlich als für Xenon.

Höhere Erosionsrate

Die Erosionsrate könnte eine sekundäre Spezifikation sein, die für Krypton schlechter (schneller) ist als für Xenon.

Laut Starlink von Wikipedia (Satellitenkonstellation); Satellitenhardware :

Starlink-Satelliten verwenden Hall-Effekt-Triebwerke mit Kryptongas als Reaktionsmasse [44] [64] für die Anhebung der Umlaufbahn und die Lagekontrolle. ⁶⁵ Krypton-Hall-Triebwerke neigen dazu, im Vergleich zu einem ähnlichen elektrischen Antriebssystem, das mit Xenon betrieben wird, eine deutlich höhere Erosion des Strömungskanals zu zeigen , jedoch zu geringeren Treibstoffkosten. ⁶⁶

⁶⁵ ESA artes: KHT – Krypton Hall Thrusters – Identification, Evaluation and Testing of Alternative Propellants for Electric Propulsion Systems

⁶⁶ Teslarati: Die Starlink-Satellitenanwälte von SpaceX widerlegen die jüngste „fehlerhafte“ OneWeb-Kritik

Von hier:

Traditionell war Xenon aufgrund des optimalen Kompromisses zwischen Leistung und einfacher Handhabung immer das Treibmittel der Wahl für EP-Anwendungen. Obwohl Xenon mehrere technische Vorteile hat, leidet sein hoher Preis unter einer bemerkenswerten Schwankung, was ernsthafte Budgetprobleme aufwirft. Um die Treibmittelkosten zu senken, muss eine wirtschaftlichere Alternative zu Xenon identifiziert werden, während gleichzeitig die Leistungsniveaus der Triebwerke beibehalten werden, ohne dass entscheidende Überlegungen auf Systemebene außer Acht gelassen werden.

Der KHT-Projektplan konzentriert sich auf eine experimentelle Kampagne zum Testen eines 5-kW-Hall-Effekt-Triebwerks, des Sitael-HT5k, das für den Betrieb mit Xenon ausgelegt ist, mit reinem Krypton und mit verschiedenen Kr-Xe-Mischungen. Hauptziele der Testkampagne sind: (i) Charakterisierung der Triebwerksleistung und Vergleich mit Xenon als Benchmark; (ii) Bewertung der Erosionsentwicklung der Kanalwände; (iii) Validierung eines reduzierten Auftragsleistungs- und Erosionsmodells; (iv) Extrapolation der Wirkung alternativer Treibstoffe auf Lebensdauer und EOL-Leistung; (v) Bewertung der Auswirkungen auf Systemebene im Zusammenhang mit der Verwendung alternativer Treibmittel.

Die HT-5k-Triebwerkseinheit zeigte einen stabilen Betrieb mit den ausgewählten alternativen Treibstoffen über einen weiten Bereich von Entladungsspannungen (250-600 V) und Leistungen (2-7 kW). Das Triebwerk konnte auch mit reinem Krypton hohe Schubwirkungsgrade erreichen. Im Allgemeinen zeigte sich mit dem Übergang von reinem Xenon zu reinem Krypton das Maximum der Schubeffizienz zu höheren Leistungsniveaus verschoben (4000–4500 W für reines Xe; ~ 6500 W für reines Kr). Das Triebwerk zeigte einen stabilen Entladungsstromtrend ohne Probleme mit Flammenausfall oder Überhitzung. Plume-Messungen zeigten, dass die Strahldivergenz von der Menge an Krypton in der Mischung abhängt: Je höher der Anteil an Krypton, desto größer die Strahldivergenz.Wie erwartet zeigten reines Kr und Kr-Mischungen eine signifikante Steigerung der anfänglichen Erosionsrate des Keramikkanals.