Was sind die Vorteile von festem Jodtreibstoff und wie wird er für den Ionenantrieb verwendet?

Ich habe über verschiedene Treibmittelquellen für Ionentriebwerke gelesen, wobei Xenon am häufigsten vorkommt. In neueren Artikeln habe ich jedoch mehr und mehr Erwähnungen von festem Jod gefunden, das als Treibmittel für Ionentriebwerke verwendet wird.

Genauer:

https://en.wikipedia.org/wiki/Iodine_Satellite

https://en.wikipedia.org/wiki/Hall-effect_thruster

Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung von Jod als Treibmittel besteht darin, dass es einen hochdichten mal spezifischen Impuls liefert, dreimal so sparsam im Kraftstoffverbrauch ist wie das üblicherweise geflogene Xenon, es als druckloser Feststoff im Tank gespeichert werden kann und kein gefährliches Treibmittel. 1U mit 5 kg Jod auf einem 12U-Fahrzeug kann eine Geschwindigkeitsänderung von 4 km/s ΔV, eine Höhenänderung von 20.000 km, eine Neigungsänderung von 30° von LEO oder eine Neigungsänderung von 80° von GEO bewirken. Während des Betriebs wird der Tank erhitzt, um das Treibmittel zu verdampfen. Das Triebwerk ionisiert dann den Dampf und beschleunigt ihn über magnetische und elektrostatische Felder, was zu einem hohen spezifischen Impuls führt.

Ich denke, meine Fragen sind:

  • Wie kann man festes Jod als Ersatz für Xenon verwenden , muss man es sublimieren?
    • Gibt es Komplikationen, die sich aus der Verwendung eines festen Brennstoffs ergeben?
    • Was macht die Speicherung von Jod als Festbrennstoff so effizient ?
  • Wie viel effizienter wird dies in Bezug auf die Speicherung, was sind die Vorteile?
    • Wie viel besser ist der spezifische Impuls als: Xenon/Krypton/Argon?
    • Wie viel einfacher ist es zu speichern als: Xenon/Krypton/Argon?
    • Wie viel weniger riskant ist Jod als: Xenon/Krypton/Argon?
    • Wie viel billiger ist es als: Xenon/Krypton/Argon?
  • Ist dieser Iodine Satellite der erste, der dieses Zeug getestet hat?

Lassen Sie mich wissen, wenn diese Fragen weiter aufgeschlüsselt werden sollten. Ich kann mehrere stellen, um spezifische Fragen zum Jod-Treibmittel zu behandeln, aber ich dachte, ich würde mit einer groben Frage beginnen.

Die Antwort auf "Wie kann man festes Jod als Ersatz für Xenon verwenden, muss man es sublimieren" findet sich im Zitat: "Während des Betriebs wird der Tank beheizt, um das Treibmittel (Jod) zu verdampfen". Jod hat einen Schmelzpunkt (I2) von 386,85 K (113,7 °C, 236,66 °F) und einen Siedepunkt (I2) von 457,4 K (184,3 °C, 363,7 °F). Es sublimiert zwar bei Raumtemperatur, kann aber bei schnellem und starkem Temperaturanstieg schmelzen. Wenn der Dampfdruck von 35 Pa bei 298 K einen ausreichenden Massenstrom erzeugt, kann die Sublimation allein verwendet werden.
@uwe stimmt, das ist ein ziemlich guter Breitstrich. Ich habe mich jedoch gefragt, wie Sie einen Tank erhitzen würden, um dies zu bewirken - werden Sie ihn erhitzen, abkühlen und dann wieder erhitzen? Wird es auf einer konstanten Temperatur gehalten? Hatte gehofft, dass jemand detaillierter erklärt, wie sie den Tank erhitzen und aus der festen Phase in etwas Brauchbares überführen wollten, möglicherweise mit einem Diagramm, falls verfügbar.
@uhoh der erste Link ist diese Frage: P. Die anderen Links jedoch lese ich gerade.

Antworten (1)

Ich denke, es gibt ein wenig Verwirrung bei den Begriffen, die die Leute in der Raumfahrtantriebsgemeinschaft für Jod verwenden. Für detailliertere Informationen empfehle ich einen Blick in einen dieser wissenschaftlichen Artikel von Dietz et al. (2019) und Szabo et al. (2013) . Ich werde meine Antworten darauf aufbauen.

Jod wird nicht in festem Zustand für elektrische Antriebe (EP) verwendet. Die Leute verwenden gerne das Wort „fest“, um zu werben, dass das Treibmittel in festem Zustand gelagert wird, anstatt in einem unter Druck stehenden Tank mit einem Gas wie Xenon oder Krypton. Ja, Sie müssen es sublimieren, indem Sie den Jodbehälter erhitzen.

Nachteile: Sie müssen Energie aufwenden, um den Behälter zu erhitzen und Jod in Gasform zu erhalten. Ein weiterer Nachteil von Jod besteht darin, dass es sehr reaktiv/korrosiv ist.

Vorteile: Jod im festen Zustand ist viel dichter als beispielsweise ein Edelgas und nimmt bei gleicher Treibmittelmenge weniger Volumen ein. Ein weiterer klarer Vorteil ist, dass Sie nicht alle Hochdruckleitungen und -ventile benötigen, die Sie normalerweise für ein System mit Edelgas benötigen.

Trotz der Möglichkeit, es in festem Zustand zu speichern, ist Jod aus zwei Hauptgründen auch als Treibmittel für EP attraktiv:

  • seine Atommasse, die der von Xenon sehr ähnlich ist (126,90 amu gegenüber 131,29 amu), was wichtig ist, um einen hohen Schub zu erzeugen;
  • und seine Ionisationsschwelle, die etwas niedriger als bei Xenon ist, wodurch man weniger Energie aufwenden muss, um das Plasma im Inneren des Triebwerks aufrechtzuerhalten.
Was sind die Vorteile von festem Jodtreibstoff und wie wird er für den Ionenantrieb verwendet?
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