Entwicklung und experimentelle Untersuchung eines wasserbetriebenen Hall-Antriebs mit magnetischer Schirmung
Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Hall-Antriebe erzeugen Schub durch die elektrostatische Beschleunigung von Ionen und bieten im Vergleich zu chemischen Antrieben eine höhere Treibstoffeffizienz und eine einfachere Bauweise. Der hierbei meistgenutzte Treibstoff Xenon weist ideale Eigenschaften wie hohe atomare Masse, gute Ionisierbarkeit und chemische Inertheit auf, ist jedoch teuer und erfordert Hochdrucktanks. Die Suche nach Alternativen ist daher entscheidend, um diese elektrischen Raumfahrtantrieben auch für kleinere Forschungsinstitute zugänglich zu machen. Wasser bietet sich als vielversprechender Ersatz an: Es ist günstig, ungiftig, weltweit verfügbar und kann als Flüssigkeit im Raumfahrzeug gelagert werden. Allerdings ist es schwerer zu ionisieren, liefert weniger Schubkraft, kann in unerwünschte Teilchenspezies dissoziieren und führt durch erhöhte Leistungsverluste schnell zur Überhitzung des Triebwerks. In diesem Projekt wurde ein innovatives Triebwerksdesign für Hall-Antriebe entwickelt, das thermische Stabilität und reduzierte Erosion sicherstellt. Dafür wurden die normalerweise verwendeten Elektromagneten durch Permanentmagneten ersetzt, das Magnetfeld angepasst, das Entladungskanaldesign verbessert und Ansätze für regenerative Kühlung erforscht. Das Triebwerk konnte erfolgreich mit Xenon und Wasser getestet werden. Mit Xenon erreichte es Schubkraft, Effizienz und spezifischen Impuls (Isp), die mit anderen Triebwerken vergleichbar sind. Beim Betrieb mit Wasser fiel die Performance im Vergleich zu anderen Triebwerken leicht ab, vermutlich aufgrund der veränderten Magnetfeldkonfiguration. Ein Langzeittest zeigte, dass das Triebwerk mit Xenon nach 30 Stunden Betrieb nur geringe Erosionsspuren aufwies. Mit Wasser traten jedoch bereits nach 20 Stunden deutliche Erosionserscheinungen auf. Das Projekt markiert einen wichtigen Schritt: Es handelt sich um den weltweit ersten wasserbasierten Hall-Antrieb, der dauerhaft betrieben werden kann. Diese Technologie könnte eine kostengünstige und nachhaltige Lösung für Kleinsatellitenantriebe darstellen und den Zugang für kleine Forschungsinstitute zur Raumfahrt erweitern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Design, performance, and preliminary erosion evaluation of a 50 W–200 W water-fueled Hall thruster with permanent magnets. Acta Astronautica, 232, 693-705.
Gondol, Norman; Shirasu, Kento; Yoshida, Hayato & Koizumi, Hiroyuki
