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Ionenantrieb

Raumfahrt

Basiswissen


Ionenantriebe sind zu schwach, um eine Rakete von der Erde starten zu lassen. Eine physikalische Besonderheit ihrer Wirkungsart macht sie aber als Antrieb, etwa auch zur Richtungssteuerung, für Raumsonden besonders interessant.

Die Grundidee: der Rückstoß


Raketen arbeiten nach dem Rückstoßprinzip. Sie „werfen“ hinten etwas hinaus, dadurch werden sie selbst nach vorne weggestoßen. Das „Hinauswerfen“ passiert meistens so, dass etwas verbrannt wird. Die Abgase werden dann so geleitet, dass sie die Rakete hinten sehr schnell verlassen. Bei Ionenantrieben wird nichts verbrannt. Vielmehr werden elektrisch geladene Teilchen (Ionen) in einem elektrischen Feld beschleunigt. Dadurch lassen sich sehr viel höhere Austrittsgeschwindigkeiten als bei Verbrennungen erreichen. Ionenantriebe werden Raumsonden zu fernen Planeten eingesetzt.

In Zahlen



Was ist der Vorteil des Ionenantriebs?


Jede Rakete benötigt eine sogenannte Stützmasse: die Stützmasse ist die Masse (z. B. in Kilogramm), die eine Rakete nach hinten wegschleudert, um mit dem Rückstoß einen Antrieb zu erzeugen. Die Rakete stützt sich somit gegenüber dieser Masse ab und stößt sich selbst nach vorne. Ist die Masse einmal weggeschleudert, kann sie kein zweites Mal verwendet werden. Sie ist verloren. Eine Rakete muss ihre Stützmasse entweder mit sich führen und diese dann langsam verbrauchen, oder sie muss ihre Stützmasse aus Molekülen im Weltraum einsammeln. Beide Varianten haben Nachteile. Es gilt aber, dass man für einen bestimmten gewünschten Antriebseffekt umso weniger Stützmasse benötigt, je schneller die Teilchen die Raketendüse verlassen. Und hier kommt der Ionenantrieb ins Spiel: er kann Teilchen wesentlich schneller machen als es durch eine Verbrennung möglich wäre. Und dadurch benötigt ein Ionenantrieb auch wesentlich weniger Stützmasse ↗

Gibt es Flugzeuge mit Ionenantrieb?


Um das Jahr 2019 experimentierte Steven Barretts vom Massachusetts Institute of Technology mit einem kleinen Modellflugzeug mit Ionenantrieb. Das Flugzeug segelte gut 60 Meter weit mit einer Geschwindigkeit von 17 km/h durch die Luft. Die Theorie dahinter wurden im der bekannten Zeitschrift Nature veröffentlicht[2]. Die Schubkraft, die das nur 2,45 Kilogramm schwere, fünf Meter breite Flugzeug entwickelte, lag bei 3,2 Newton. Eine besondere Leistung der Konstrukteure war es, aus einer Batterie die für den Antrieb nötige Spannung von etwa 40 Tausend Volt zu erzeugen. Ein Problem des Antriebes ist seine geringe Effizienz: nur 2,6 der umgesetzten elektrischen Energie wurden für den Vortrieb genutzt. Doch bei Flugzeug-Geschwindigkeiten um die 1000 km/h könnte die Effizienz auf über 50 % ansteigen. Als langfristige Hürde für eine Nutzung auch mit größeren Flugzeugen ist das schwere Gewicht von Batterien. Nischenanwendungen sind aber da interessant, wo kleine Flugzeuge lautlos sein sollen, etwa für eine Drohne ↗

Fußnoten