Warum werden Starlink-Satelliten Krypton anstelle von Xenon für den elektrischen Antrieb verwenden?

In der Pressemappe für den ersten Start von Falcon 9 Starlink und den Einsatz der ersten 60 Satelliten, die für den 15. Mai 2019 geplant sind, heißt es:

Mit einem Flachbildschirm-Design mit mehreren Antennen mit hohem Durchsatz und einem einzelnen Solararray wiegt jeder Starlink-Satellit ungefähr 227 kg, was es SpaceX ermöglicht, die Massenproduktion zu maximieren und die Startmöglichkeiten von Falcon 9 voll auszuschöpfen. Um die Position im Orbit anzupassen, die beabsichtigte Höhe beizubehalten und den Orbit zu verlassen, verfügen Starlink-Satelliten über Hall-Triebwerke, die von Krypton angetrieben werden. (Betonung hinzugefügt)

Die meisten elektrischen Antriebssysteme, von denen ich gehört habe, verwenden Xenon. Während das leichtere Krypton bei einer bestimmten Beschleunigungsspannung einen höheren Isp hätte, gehe ich davon aus, dass Xenon ein etwas niedrigeres Ionisationspotential hat und daher leichter zu ionisieren wäre.

Gleichstrom für Elektromagnete zum Einschluss und HF-Stromversorgung für die Plasmaanregung kann das Gewicht eines Ionenantriebsmotors dominieren (abhängig von der spezifischen Konstruktion und dem Prinzip). Daher hätte ich für diese schlanken und federleichten Raumfahrzeuge gedacht, dass dies der Fall wäre mit das niedrigere Ionisationspotential von Xenon, das vermutlich mit geringerer Elektronenenergie ionisiert werden kann.

Frage: Warum werden die Starlink-Satelliten von SpaceX Krypton anstelle von Xenon für den elektrischen Antrieb verwenden?

Ja, ich verliere meinen Nachmittag in dieser Literatur! Jetzt beschäftige ich mich mit dieser neueren (Veröffentlichung von 2019) angewandten Kosten-Nutzen-Analyse von Krypton, Xenon und Mischungen der beiden für den Ionenantrieb von Raumfahrzeugen , die wahrscheinlich die aktuellste und vollständigste Antwort auf genau diese Frage ist.

Antworten (2)

Aus dem gleichen Grund macht SpaceX die Dinge oft anders: Krypton ist viel billiger.

Die Satelliten dienen der Kostenkontrolle. Zum Beispiel wird jeder mit Hall-Effekt-Triebwerken manövrieren – Ionen-Triebwerken, in denen Treibmittel durch ein elektrisches Feld beschleunigt wird. Der herkömmliche Treibstoff für ein solches Triebwerk ist Xenon, das eine hohe Leistung bietet. Die Starlink-Satelliten werden jedoch ein anderes Edelgas verwenden: Krypton. Es hat eine geringere Dichte, sodass die Treibstofftanks der Satelliten größer sein müssen, und es bietet weniger Leistung als Xenon. Aber Krypton kann für nur ein Zehntel der Kosten von Xenon gekauft werden, was wichtig ist, wenn ein Unternehmen Tausende von Satelliten mit Treibstoff versorgen möchte.

Preis und Produktionsrate

Ich habe sehr unterschiedliche Preisangaben für die beiden gefunden:

Xenon ist mit 1200 $ /kg gelistet , was bedeuten würde, dass SpaceX sein Krypton für ~ 120 $ /kg bekommt . Die Quelle für dieses Wikipedia-Zitat listet auch Krypton mit 300 $/kg auf.

Diese SE-Antwort gibt auch in dieser Region einen Xe-Preis an.

Auf Alibaba habe ich jemanden gefunden, der Krypton für 2 $ /kg verkauft, aber auf Alibaba weiß man nie, was man bekommt. Also habe ich noch etwas gegraben.

Der Preisunterschied erklärt sich aus der Produktionsweise . Ein Prozess (Luftverflüssigung) ergibt eine Kr-Xe-Mischung:

Unter Verwendung allgemein akzeptierter Techniken produzieren die meisten dieser Stationen eine KrXe-Mischung, die ungefähr 93 % Kr und nur 7 % Xe enthält.

Also ~10 Mal mehr Kr als Xe, was einen Preisunterschied von 10x logisch macht.

1998 wurde die Xenon-Produktion auf 5000–7500 m 3 /Jahr geschätzt . Nach dieser Antwort ist 1 kg = 170 l, also sind 5000 m 3 29,4 t.

Es gibt also noch einen weiteren Grund, Xe nicht zu verwenden: 10000 Satelliten mit jeweils 3 kg Treibmittel würden den gesamten Weltvorrat an Xe für 1 Jahr benötigen, was den Preis in die Höhe treiben würde. Verwenden Sie besser etwas Reichhaltigeres.

Das klingt einfach richtig.
Quelle dafür ist die Motivation?
Wer auch immer dies gestern abgelehnt hat, seine Ablehnungen wurden umgekehrt und heute erneut abgelehnt: Macht es Ihnen etwas aus, zu erklären, was an meiner Antwort falsch ist?
@Hobbes Ich habe in letzter Zeit ein seltsames Muster von einzelnen, stillen und rätselhaften Abstimmungen gesehen. Auf anderen SE-Sites gibt es viel mehr davon, ich denke, es fällt hier in Space SE nur auf, weil es so verdammt selten war.
Einige Links in dieser Antwort könnten für Sie interessant sein

Ich nehme an, sie haben nachgerechnet und festgestellt, dass die Gesamtkosten geringer waren, selbst bei reduzierter Schub-/Watt-Effizienz, reduzierter Triebwerkslebensdauer und erhöhter Tankkapazität und Masse der Solarstrings. Die Kosten für Xenon sind enorm, und das Angebot ist sehr begrenzt.

Wenn die NASA ein Fahrzeug baut, muss sie ihren Treibstoffkauf über mehrere Jahre strecken, weil es einfach nicht genug produziert wird, um eine lange Mission wie DAWN und die Handvoll anderer Anwendungen für Xenon zu erfüllen.

SpaceX kann es sich wahrscheinlich nicht leisten, so lange zu warten oder so viel auszugeben. Sie können Xenon für einen langlebigeren, langsamer eingesetzten Satelliten der zweiten Generation verwenden.

Dies ist eine interessante Antwort, aber alle Behauptungen werden derzeit nicht unterstützt . „Die Kosten für Xenon sind enorm, und das Angebot ist sehr begrenzt“ könnte sicherlich wahr sein (und in geringerem Maße auch für Helium gesagt werden), benötigt aber eine unterstützende Quelle, und „Wenn die NASA ein Fahrzeug baut, müssen sie ihren Treibstoff strecken Kauf über mehrere Jahre." ist nur schwer zu glauben, wenn man das Budget bedenkt. Deshalb habe ich nur gefragt: Wie viel des weltweiten Xenons wurde insgesamt in der Raumfahrt verwendet? Ist es viel? Hat es viel gekostet? und ich habe dich dort zitiert.
Die meisten meiner Informationen hier stammen aus erster Hand. Ich weiß, dass die NASA ihre Einkäufe verteilt, weil ich Triebwerke für sie entworfen habe. Es ist kein Budgetproblem, es wird nicht jedes Jahr genug produziert, um eine lange Mission wie DAWN und die Handvoll anderer Anwendungen für Xenon zu erfüllen. Daher müssen sie im Voraus planen und während der Laufzeit des Programms mehrere Lieferungen entgegennehmen.
Oh!! Ich verstehe jetzt, was du meinst. Habe es. Ja, das macht absolut Sinn. Im Fall von SpaceX kann es sich ebenso um eine Entscheidung des Lieferkettenmanagements wie um eine der Kostensenkung handeln. Kürzlich hörten wir in den Nachrichten von Verlangsamungen bei der Automobilherstellung, beispielsweise aufgrund von Verfügbarkeitsproblemen bei Computerchips. Durch den Wechsel zu Krypton vermeiden sie die Bindung an eine knappe Ressource. Ich habe eine kleine Änderung vorgenommen, um dies in Ihre Antwort aufzunehmen, aber Sie können sie gerne weiter bearbeiten. Danke!
Strategischer Einkauf ist auch bei der langfristigen Budgetierung von Artikeln erforderlich. Ich kenne ein DoD-Programm, das gezwungen war, bestimmte Kampfmittelbestandteile zu kaufen, um einen Bedarf für die nächsten 50 Jahre zu decken (IIRC). Warum? Der US-Lieferant eines Schlüsselinhaltsstoffs ging vor mehr als 10 Jahren aus dem Geschäft, lange nachdem das ursprüngliche System entwickelt worden war. Der US-Auftragnehmer war gezwungen, einen sorgfältig geprüften Chemikalienhersteller außerhalb der USA zu beauftragen (mit Zustimmung und Aufsicht des Verteidigungsministeriums). Da die Chemikalie sorgfältig chargenweise getestet wurde, gab es keine weiteren Sicherheits- oder Qualitätsbedenken. Schlüsselmaterialien erfordern eine budgetzyklus- und verwaltungssichere Planung.
Warum werden Starlink-Satelliten Krypton anstelle von Xenon für den elektrischen Antrieb verwenden?
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