Alkusanat

Alkuunsa sähköpropulsio näyttää houkuttelevalta vaihtoehdolta. Todella hyvät spesifit impulssit, eikä sanaakaan ydinjärjestelmistä.

Sähköinen propulsio ei ole uusi keksintö. Tsiolkovski mainitsi sähköstaattiset moottorit ohimennen ja Ernst Stuhlinger teki pioneerin töitä tehdessään niistä todellisuutta.

Niiden ongelmat ovat kaksijakoiset joista vakavampi on energia. Sähköinen propulsio, riippumatta sen muodosta kuluttaa, no, sähköä. Jokainen kWh jonka moottori käyttää propellantin kiihdyttämiseen on tuotettava jossakin. Ja näiden moottorien sähköenergian tarve on aivan omassa luokassaan.

Toinen ongelma juontaa ensimmäisestä ongelmasta. Sähköstaattisen propulsion Työntövoimasuhde on naurettavan matala- Pääpiirteissään moottorien työntövoimasuhde on alle 1% luokkaa. NASAn rakentamassa Deep Space one sateliittissa ollut ionimoottori NSTAR tuotti huipputehonaan 92 mN työntöä. Siis jokseenkin saman verran kuin käden päällä oleva paperiarkki, ja moottori oli teholtaan 2300W, siis 2,3kW.

Merkittävä etu sähköisessä propulsiossa, suurimmassa osassa siis, on korkea delta-v luku, sillä moottorien pakokaasun virtausnopeus on aivan omassa luokassaan. Matala massavirta ja suunnaton delta-v tarkoittavat, että raketti joka tällaisessa propulsiolla varustetaan, ei tarvitse isoa massasuhdetta ollakseen toimintakykyinen.

Muodot

Sähköinen propulsio voidaan jakaa karkeasti kolmeen perheeseen, jokseenkin sähkötekniikan perusilmiöitä noudattaen. Nämä ovat lämpösähköiset moottorit, sähkömagneettiset moottorit ja sähköstaattiset moottorit. Osa moottoreista sopii useampaan kuin yhteen perheeseen, mikä ei ole yllättävää.

Sähkötermisissä moottoreissa on toimilaite jolla työfluidi lämmitetään. Tästä esimerkkinä on Resistojetti, missä sähkövirralla kuumennetaan tehovastusta joka puolestaan kuumentaa työfluidia- tuottaen massavirtaa. Teknisesti ottaen resistojet kuuluu höyryrakettien perheeseen, mutta koska lämmöntuotto perustuu sähköiseen lämmitykseen voidaan se käsitellä myös tämän artikkelin yhteydessä (tai kenties jo käsiteltykin, ML2021)?

Sähkömagneettiset moottorit perustuvat sähkövirran tuottaman magneettisen kentän hyödyntämiseen työfluidin kiihdytyksessä. Moottorin hukkalämpö on ongelma, ei etu tämän raketin kanssa.  Tämän artikkelin yhteydessä käsitellään VASIMR moottoria, joka tunnetaan nasevammin nimellä plasmaraketti.

Viimeisenä muotona on sähköstaattisen ilmiön moottori. Tässä moottorissa sähköinen varaus ionisoi fluidia joka kenttäreaktiolla kiihtyy kentästä ulospäin- Tämä tuottaa työntöä.

Elektrostaattinen Ionimoottori

Toimintaperiaate

Aikaisemmin mainittiin, että elektrostaattiset moottorit perustuvat sähköisen kentän tuottamaan reaktioon. Reaktio johon viitattiin on Coulombin voima, joka sanallisesti on muotoa hiukkasen toiseen hiukkaseen kohdistama sähköinen voima on suoraan verrannollinen hiukkasten varauste tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden etäisyyden neliöön.

Ja tässä tapauksessa mielummin vektorimuodossaan, on määritelty varauksen q_1 kokevan positioissa r_1, olevan elektrostaatisen voiman F_1, kun varauksen q_1 läheisyydessä on varaus q_2, positioissa r_2, tyhjiössä, olevan yhtäsuuri kuin:

Tekninen kaavio, pala kerrallaan.

Couloumbin yhtälö osoittaa voimavaikutuksen olemassaolon ionisoitujen hiukkasten välillä. Miten tämä sitten valjastetaan propulsioon?

Propellantti pitää valita, mutta kohdellaan toistaiseksi propellanttia helposti ionisoitavana kaasuna jolle saadaan tarvittavat V_e valituilla komponenteilla.  Tarvitaan jonkinlainen runko, joka sähköistetään positiiviseen potentiaaliin, ja johon kaikki tarvittava saadaan kiinni, tottakai. Sitten tarvitaan ionisointilaite. Helpoiten tämä tapahtuu elektronisädelähteellä, jonka vanhemmat tieteenharjoittajat muistavat televisioista. Kirjaimellisesti. Eli katodisädeputki, CRT- Tarkemmin sanoen sen elektroniemitteri (A).  Propellantti pitää tuoda moottoriin ja se injektoidaan sekä onton katodisädeputken, että tarkoituksenmukaisten injektoriporttien kautta, suunnaten kaasuvirtaus kohti moottorin keskustaa.

Kuva 1	Kuva 2

Moottorin magneettikeskuksessa tapahtuu propellantin, joka on merkitty Xenoniksi (Xe) ionisaatio- Kun katodisädeputken ampumat suurnopeuksiset elektronit ionisoivat propellanttikaasua josta syntyy määritelmällisesti plasmaa (C)

Jotta propelantti voidaan suunnata ja kiihdyttää , moottorissa on magneettiasetelmat (kuva 4, D), joiden vuo (E) pitää ionisoidun kaaasun moottorin keskiössä. Tämä ei vielä aikaansaa propulsiota- Sen toteuttamiseen tarvitaan vielä sähköstaattinen, kaksivaiheinen ristikko (F), joista toinen toimii kilpenä (screen) ja toinen kiihdytysverkkona (acceleration) jonka välillä vallitsee tarvittava potentiaali-ero, jolla propulsio tuotetaan. Lopullinen ionisaatioenergia määritellaan plasman jännitetasolla, joka on hieman korkeampi kuin kilpiverkon jännite.

Kuva 3	Kuva 4

Nasan nStar verkossa kiihdytysverkko oli negatiivisella potentiaalilla ja kilpi positiivisella. Tällä estetään plasman takaisinvirtaus.

Kun plasma vielä neutraloidaan toisella emitterillä (H), jonka läpi  puhalletaan lisäpropellanttia (B2), on moottorin kierto valmis.

Ionimoottorin suorituskyky

Elektrostaattisen moottoreiden ikuinen ongelma on matala työntövoima. NSTAR moottorille, jota olemme tässä käsitelleet, se on, jännitetasoista riippuen, 20 – 95mN, teholla 2,3kW.

Mutta- moottorin ISP oli aivan omassa luokassaan: 1900-3100s.

Laitetaampa tämä mittakaavaan. Deep Space 1, jossa NSTAR oli käytössä teki operaatioidensa aikana ratanopeusmuutoksia 4,3km/s edestä. Kaikki nämä operaatiot vaativat 74kg propellanttia; ja kaikki moottorilla jonka massa oli 48 kg. [In-Flight Performance of the NSTAR Ion Propulsion System on the Deep Space One Mission, p 2]

Lyhyesti; Ionimoottori on suorituskyvyltään toisella dekadilla verrattuna kemiallisiin, tai jopa suunniteltuihn, nykyaikaisiin ydinmoottoreihin.  Nasa julkaisema tutkimus osoittaa kiistattomasti, että syvän avaruuden propulsiona Ionimoottori on loistava valinta sateliitteihin.

Propellantti

Nyt on selvitetty miten ionimoottori toimii, tarkastellaan seuraavaksi propelanttia. Esimerkkikuvissa on käytetty Xenonia (Xe), mutta  miksi?

Mikä hyvänsä kaasu kävisi- Mutta Xenon on kemialtaan hyvin, hyvin inerttia.  Xenon ei ole metallinen ja on kaasu huoneenlämmössä.  Lisäksi Xenonin ionisointienergia on 12,13 eV, per atomi.

Argon olisi ominaisuuksiltaan parempi propelantti (ja paljon yleisempi kuin xenon), mutta Argonin ionisointi on energeettisesti kallista: Argonin 15,75 eV per atomi.

Joten koska xenon m=131.25; Argon=39,25, joten Xenon on 25% halvempi / u.m.

Joten, vaikka xenonilla on suurempi massa (ja siten merkittävästi alempi V_e), sen liikemäärän ja matalamman ionisointienergian vuoksi saadaan suurempi massavirta, joka puolestaan kasvattaa TWR-lukua. Ja ionimoottorit ovat muutenkin matalan työntövoiman moottoreita, joten Xenon on se mitä käytetään ionimoottoreissa.

Plasmamoottori

Kun sähköstaattisen kenttien sijaista käytetään sähkömagneettisia kenttiä työfluidia kiihdytetään Lorentzin voimalla, joka on yhdistelmä sähköisiä ja magneettisia voimia pistemäiseen varaukseen sähkömagneettisessa kentässä; oikeammin:

F= eE+ qv x B

Josta havaitaan, että pistemäiseen varaukseen vaikuttaa sekä sähköstaattinen kenttä E, että varauksen ja kentän ristitulo varauksen nopeuden kanssa,eli alkunopeuden vektorin suhde kenttävektoriin on suoraan verrannolllinen voimavaikutukseen.

Suuri kentän voimakkuus (sähköstaattinen), että magneettinen kenttä aikaansaa suurimman mahdollisen voiman.

VASIMR (Variable Specifc Impulse Magnetoplasma Rocket) on esimerkki tällaisesta moottorista.

VASIMR Toimintaperiaate

Vasimr on magnetoplasminen raketti; Toisin sanoen, se hyödyntää Lorentzin voimaa propellantin kiihdytykseen. Minkä propellantin? No, tässä VASIMR on omassa luokassaan- Se voi käyttää lähes mitä tahansa työfluidia propulsion tuottamiseen, hieman ydinraketeille ominaiseen tapaan.  Jos Ioniraketeille oli sopivaa Xenon, niin VASIMR on NASAn testeissä käynyt pääasiassa Argonilla (Ar)- Se on helposti säilyvää, sillä on siedettävä ionisoitumisenergiataso ja toisin kuin Xenon, Argon on edullista ja yleistä: Se on hitsauksessa käytetty suojakaasu.

Moottorin ytimenä on kvartsilasinen kammio, johon propellantti syötetään injektorilla. Alkuunsa propelantti on ionisoitava plasmaksi. Tähän tarkoitukseen VASIMR käyttää radiotaajuuksista helix-antennia (Eng. Helicon Antenna) (10-50MHz taajuus), joka irroittaa argonin uloimmat elektronit Argoinsta ja muodostaa propellanttiplasmaa, joka on termisesti kylmää. Plasma ohjataan magneettiasetelmien tuottamien magneettikenttien ohjauksella ionisyklotroniantenniin (ICH) joka tuottaa elektromagneettista säteilyä resonanssitaajuudella ionien orbitaalitaajuuksilla.  Tämä tuottaa termisesti kuumaa plasmaa (1 000 000 K).

Suorituskyky

Yhtäkään VASIMR moottoria ei ole vielä lennätetty edes maan kiertoradalla, joten suorituskykyarvot ovat näiltä osin vain laboratoriolukuihin perustuvia. Mutta näiden lukujen pohjalta, VASIMR:llä on paikkansa propulsorina. Moottorin massaksi on laskettu 566kg ja sen ISP on 3000 … 5000s välissä, kun propellantti on Argonia, tehokulutuksen ollessa 250kW.

Moottorin työntövoima on edelleen matala, 5 N, mutta merkittävästi parempi kuin ionimoottorien vastaavat.  VASIMR on jokaisella mittapuulla parempi moottori kuin Ionimoottorit, mutta käänteisenä, ne vaativat merkittävästi korkeampaa tehoa raketin sähkölaitokselta.

 Resistojet

Viimeinen tämän artikkelin yhteydessä käsitelty sähköisen propulsion muoto on lämpösähköinen moottori, jota kutsutaan nimellä resistojet.

Toiminnallisesti resistojet on tyypillinen rakettimoottori.  Moottorin lämmöntuotto tehdään vastuksilla (A). Vastuksien läpi kuljetetaan virtaa joka tuottaa lämpöä, tällä lämpövuolla sitten lämmitetään työfluidi (B) joka kiihdytetään De Laval suuttimesta (C) ulos, aikaansaaden työntövoimaa.

Pääkomponentit tyypillisessä resistojetissä ovat:

Suorituskyky

Resistojetit ovat olleet käytössä jo 1965 lähtien ja esim Aerojet MR-501 (joita käytettiin mm. Iridium-sateliiteissa) omaa ominaisimpulssina 295s, vaatien sähköistä tehoa vain  500W verran, tuottaen työntövoimana 450 mN.

Resistojet on sähköisistä moottoreita alkeellisin ja samalla myös robustein laite- Laskennallisesti Resistojet, jos sen käämitys valmistetaan volframista ja lämmitetään korkeimpaan mahdolliseen työlämpöön, joka on siis muutama kelvin alle volframin sulamislämpö (3500K) voidaan teoriassa saavuttaa 310s spesifinen impulssi, jos polttoaineena on hydratsiini.

ResistoJetin kiinnostus ei perustu korkeaan spesifiin impulssiin vaan polttainejärjestelmän yksinkertaisuuteen ja absoluuttiseen toiminnalliseen varmuuteen- Ei sinänsä siis ihme, että vastusjetti on pysynyt käytössä heikoista suorituskykyluvuista huolimatta.

Loppusanat

Sähköisen propulsion ongelma ei ole työntövoimasuhde (TWR), vaikka se onkin matala. Moottoreiden aivan omassa luokassaan oleva I_sp painaa vaakakupissa enemmän. Ongelma sähköisessä propulsiossa on energian tuotanto. Sama ongelma jonka kanssa sähköinen voimansiirto painii maassa laivojen, autojen ja lentokoneiden kanssa.

Sähkön tuottaminen vaatii painavia primäärivoimalaitteita. VASIMR vatii 250kW tuottaakseen 5N työntövoimaa. Nstar vaatii 2,3kW tuottaakseen 94mN työntövoimaa. Meillä on moottoreita. Mistä saamme energian niiden ajoon? Aurinkokennot tuottavat kiertoradalla noin 1kW / m^2, eli ionimoottorimme vaatii kaksi ja puoli neliömetriä sähköistykseen. VASIMR tarvitsee 250 m^2.  Resistojet ei tarvitsisi kuin 0,5m^2.

Sähköisen propulsiolle kuten sähköntuotannolle yleensäkin, parhaana vaihtoehtona on ydinreaktori.

Lähteet:

1)      In-Flight Performance of the NSTAR Ion Propulsion System on the Deep Space One Mission,  J.E. Polk, R.Y. Kakuda, J.R Anderson, J.R. Brophy

2)       VASIMR® Spaceflight Engine System Mass Study and Scaling with Power

3)      ElectroThermal ResistoJet_AJCPP2012-039,