Was könnte schief gehen, wenn jemand einen Ionenmotor überwältigt?

Der X-3-Ionenmotor ist der stärkste jemals hergestellte Ionenmotor und bringt mit 103 kW eine erstaunliche Kraft von 5,4 N auf. Sein Brennstoff ist inertes Xenongas, das ionisiert und zu einem Plasma erhitzt wird. Was würde nun passieren, wenn jemand Wasserstoffgas anstelle von Xenon verwenden würde, um es zu „überwältigen“? Würde das eines Tages für interplanetare Reisen nützlich sein?

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Quelle

1: Motorabhängig. Deets? 2: Schrapnell, der wahrscheinlich nichts treffen und schließlich in einen Stern fallen würde. 3: Hängt von der Nuke und dem Asteroiden ab - irgendwo zwischen einem intakten, bestrahlten Asteroiden und einem bestrahlten Schrapnell
2. Außerdem würden einige Sprengstoffe nicht detonieren (schließen Sie die meisten chemischen Verbrennungen aus und Sie sind gut - es sei denn, Sie bringen das Oxidationsmittel mit).
Bitte eine Frage pro Beitrag. Abstimmung zum Schließen als zu weit gefasst. Ich schlage auch vor, dass Sie Ihren Fragen einen Kontext geben, um zu vermeiden, dass sie aus anderen Gründen geschlossen werden. Ihre Frage Nr. 1 ist beispielsweise ohne weitere Kenntnisse über den Motortyp bedeutungslos. Da Sie ein neuer Beitragender sind, schlage ich vor, dass Sie einige Zeit damit verbringen, Fragen auf der Website zu lesen, die hoch bewertet werden, um eine Vorstellung davon zu bekommen, was eine gute Frage von der Community ist.
Auch die Atombombe wurde schon einmal gefragt (independence day style): space.stackexchange.com/questions/19091/… Wusste, dass ich das schon einmal irgendwo gesehen habe :).
Ich stimme dafür, diese Frage als nicht zum Thema gehörend zu schließen, da Sie eine nach der anderen stellen und weitere Details angeben müssen. Lassen Sie sich nicht entmutigen, es erneut zu versuchen.
@alle, ok. Machen wir es nacheinander.
Ich habe Ihrer Frage einige Informationen hinzugefügt und auf die reopenAbstimmung geklickt. Sie können auch für die Wiedereröffnung stimmen. Es wäre jedoch besser, wenn Sie eine Erklärung für Ihre Frage hinzufügen würden. Sie müssen zum Beispiel die Höhe des Vakuums und die Größe der Kammer und den Pumpentyp kennen, um die Auswirkungen auf die Kammer zu verstehen, aber vielleicht möchten Sie nur etwas über die Auswirkungen auf den Motor wissen? Übrigens @sollte das nur verwendet werden, wenn Sie versuchen, ein Flag an einen bestimmten Benutzer zu senden. Es gibt einen Benutzer namens everyone, der jedoch noch keinen Kommentar abgegeben hat.
Ich habe auch für die Wiedereröffnung gestimmt, aber diese Frage muss noch bearbeitet werden. Stimme @uhoh zu, was steckt hinter dieser Frage? Was ist die normale Durchflussrate und das Treibmittel für diesen Motor? Wenn Sie nach einem völlig zufälligen Ereignis fragen, gibt es keine Möglichkeit, die Frage zu beantworten, da niemand jemals darüber nachgedacht oder sich darum gekümmert hat. Bitte bearbeiten Sie, um zu erklären, warum Sie dies fragen. Der Kontext ist wichtig, ansonsten scheint dies eine völlig zufällige Sache zu sein. "Was würde passieren, wenn ein Wasserbüffel auf die Landebahn des Shuttles rennen würde?"

Antworten (2)

Während @Hobbes darauf hinweist, dass Sie für leichtere Ionen weniger Impuls pro Atom oder pro Ladungseinheit erhalten, ist dies unter der Annahme, dass die Ladung +1 beträgt und die Beschleunigungsspannung konstant ist, nicht die ganze Geschichte.

Der Impuls eines auf eine kinetische Energie beschleunigten Teilchens E = Q v Ist:

P = 2 M Q v = 2 M E .

Also Wasserstoffatome geben 131 ≈ 11.4 Mal weniger Impuls oder "Kick" pro Atom oder pro Ladungseinheit von Ihrer Hochspannungsversorgung.

Dieses Wasserstoffatom wiegt jedoch 131-mal weniger als ein Xenon-Atom . Sie erhalten also pro Kilogramm Treibmittel 131 ≈ 11.4 Mal mehr Impuls oder "Kick" pro Kilogramm, also wäre Wasserstoff, wenn alles andere gleich wäre, ein viel höheres Isp-Treibmittel als Xenon!

Wasserstoff ist nach Helium das am schwierigsten zu ionisierende Atom, aber der Unterschied ist nicht groß. Beginnend mit H2-Gas benötigen Sie etwa 4,5 eV , um ein Wasserstoffmolekül in zwei neutrale Atome zu zerlegen, plus 13,6 eV, um jedes zu ionisieren. Xenon ist mit nur 12,1 eV ein leichter zu ionisierendes Gas.

Der Grund, warum die Ionisierung für ein Raumfahrzeug wichtig zu berücksichtigen ist, liegt darin, dass die Masse eines Ionentriebwerks in der Stromversorgung und den plasmaeinschließenden Magneten gebunden ist, die erforderlich sind, um den hohen Strom von Elektronen mittlerer Energie im Plasma zu erzeugen, die die Atome während der Energie ionisieren Kollisionen.

Wenn Sie also von Xenon zu Wasserstoff wechseln, erhalten Sie einen Isp-Faktor von über zehn, und der nächste Schritt wäre, die Masse Ihres Raumfahrzeugs durch Verwendung eines Materials mit niedrigem Ionisationspotential zu verringern. Das ist eine separate Frage.

Hätte es einen Vorteil, Moleküle anstelle von Atomen zu ionisieren? Sie könnten ungefähr so ​​schwer sein, wie Sie möchten, ungefähr so ​​​​leicht ionisieren, wie Sie möchten, und so ausgewählt, dass sie gut gelagert werden können.
@Greg Ich nehme an, es hängt vom Molekül ab. Ich kenne keine Fälle, die über zweiatomige Dinge wie Jod und Wasserstoff hinausgehen, siehe Was sind die Parameter des neuen elektrischen Jod-Raketentriebwerks, das von RSC Energia entwickelt wurde? und auch MARS-CAT; Was ist ein Cubesat Ambipolar Thruster und wie funktioniert er? Warum erwägen Sie nicht, eine neue Frage zu Treibmitteln zu stellen, die als größere Moleküle gespeichert sind? Ich denke, da könnte irgendwo ein gutes drin sein!
Ich denke, der Grund, warum Wasserstoff eine schlechte Idee ist, liegt am Tankdruck. Wenn Sie versuchen, Ihren Wasserstoff zu speichern, nimmt er beim gleichen Druck von Xenon den 131-fachen Platz ein. Der Druck kümmert sich um die Anzahl der Moleküle, nicht um ihr Gewicht. Jeder Versuch, ein Ionentriebwerk aus Wasserstoff herzustellen, wird das Massenbudget zunichte machen.
@Knudsen "Jeder Versuch ..." ist möglicherweise nicht ganz richtig; Es gibt andere Möglichkeiten, Wasserstoff mitzubringen, und einige Leute erwähnen Möglichkeiten, ihn zu ernten, obwohl das eine ganz andere Kugel aus Wachs ist. Apropos Wachs: Welche Möglichkeiten gibt es, Wasserstoff für den Elektroantrieb ohne einen schweren Druckbehälter zu speichern?
@Greg Ein Molekül kann zerfallen und Rückstände auf den Gittern hinterlassen, wenn es auf sie trifft (wie es ein kleiner Teil der Ionen tut). Ein Edelgas richtet viel weniger Schaden an. Quecksilber wurde in frühen Ionenmotoren verwendet (besseres Verhältnis von Masse zu Ionisierungsenergie und sehr dicht zu speichern), aber abgesehen davon, dass es ärgerlich giftig ist, hat es die Gitter verschmutzt.
Außerdem hat ein leichteres Ion für einen gegebenen Ionisierungsgrad ein höheres Ladungs-Masse-Verhältnis als ein schwereres und wird daher bei einer gegebenen Spannung stärker beschleunigen. In dieser Hinsicht rockt Wasserstoff total ; Die Ladung-zu-Masse von ionisiertem Wasserstoff ist doppelt so hoch wie die von Ionen, die von jedem anderen leicht verfügbaren Brennstoff erzeugt werden (zum großen Teil, weil gewöhnlicher Wasserstoff fast ausschließlich Wasserstoff-1 ist, der zufällig das einzige stabile Nuklid ohne ist alle ungeladenen Neutronen, die es nach unten massieren), und Sie müssen nur ein Elektron von jedem Atom entfernen, um es so zu bekommen.
@Vikki ja in der Tat! Ich wurde jedoch gründlich verprügelt und gefragt, ob leichte Gase wie Wasserstoff oder Helium für den Ionenantrieb erforscht wurden? und so fragte ich in meta Was ist los mit all dem Downvoting meiner Antworten hier? Vielleicht arbeitet jemand an einem auf leichten Spezies basierenden Ionenmotor und möchte nicht, dass die Vorteile veröffentlicht werden, bis sie auf den Markt kommen? :-)

Die Verwendung von Wasserstoff anstelle von Xenon würde den Motor weniger stark machen. Der Motor arbeitet durch Beschleunigung von Ionen. Wenn Sie schwere Xenon-Ionen durch sehr leichte Wasserstoff-Ionen ersetzen , wird der Schub stark reduziert.

Gibt es eine Frage zur Verwendung schwererer Ionen als Xenon?
Ich glaube nicht.
Was ist mit dem Ersatz von Xenon durch Radon?
@AndrewMaxwellRockets Bisher habe ich festgestellt, dass Xenon, Quecksilber (eingestellt), Wismut, Jod und Argon Treibmittel sind, die üblicherweise in Ionentriebwerken verwendet werden. Scheint, dass Wismut. Jod eine Wahl für kleinere und kompaktere Lagerung ist. Argon, weil es billiger und reichlich vorhanden ist. Und Quecksilber wurde verwendet, aber es war "schwer zu füttern und kontaminierte Teile leichter". Hier ist auch ein Artikel über Radon in Ionentriebwerken ! (Beachten Sie, dass es sich um eine Hochschularbeit handelt, überprüfen Sie alles auf Fakten)
Radon ist nutzlos. Es zerfällt zu schnell für so ziemlich jede Weltraummission.
@Hobbes Als ich nach irgendetwas suchte, das mit Radon zu tun hatte, waren meine Google-Suchanfragen so gut wie absolut überflutet mit "Radonminderung in Ihrem Haus!" Aber gut zu wissen, danke!! Ich denke, Xenon ist genau in diesem "Sweet Spot".
Ja. Xenon ist das schwerste stabile Gas.
@Hobbes überprüfe meine Mathematik noch einmal ?
@AndrewMaxwellRockets Ich würde mit der Annahme einer Antwort warten, bis dieses Problem gelöst ist.
Xenon ist das schwerste stabile Atomgas . Es gibt eine Vielzahl von Molekülen, die schwerer als Xenon sind und unter Standardbedingungen Gase sind. Während viele giftig und ätzend sind (Wolframhexafluorid und Osmiumtetraoxid), sind einige ziemlich inert (Perfluorbutan und Pentafluoriodethan). Eine schöne Liste schwerer Gase finden Sie hier: eugenebo.wordpress.com/2017/01/11/13-heaviest-gases
Was könnte schief gehen, wenn jemand einen Ionenmotor überwältigt?
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