Klassische Triebwerke basieren auf chemischer Verbrennung. Die erreichbare gerichtete Teilchengeschwindigkeit am Düsenaustritt ist auf wenige km/s begrenzt. Um auf eine Nutzlast eine größeren Impuls zu übertragen, ist der Einsatz zunehmender Mengen an Treibstoff erforderlich.
Ein Ionentriebwerk beschleunigt die Ionen nicht durch einen Verbrennungsprozeß, sondern in einem elektrostatischen Feld. Die Ionen erreichen Geschwindigkeiten bis zu 100km/s. Verglichen mit einem klassischen Triebwerk läßt sich beim Ionentriebwerk der gleiche Impuls mit einem um bis zu zwei Größenordnungen geringeren Treibstoffeinsatz erreichen.
Der erstmalige Einsatz eines Ionentriebwerks im erdfernen Weltraum fand während der DS1-Mission statt. Erfolgreich eingesetzt wurde ein Ionentriebwerk ebenfalls, um mit der europäischen Sonde SMART-1 den Erdmond zu erforschen. Beendet wurde diese Mission im September 2006 recht spektakulär durch den gezielten Aufschlag der Sonde auf der Tagseite des Mondes.
Zur Beschreibung und Simulation der Dynamik des aus dem Triebwerk austretendem Elektronen-Ionen-Plasmas und dessen Wechselwirkung mit dem Umgebungsplasma wurde ein vollständiger Teilchen-Code entwickelt, der sowohl die Ionen als auch die Elektronen kinetisch beschreibt.
Starke Divergenz (mpg, 1.0 MB)
Schwache Divergenz (mpg, 1.2 MB)
In der Animation ist die Dynamik der Elektronen und Ionen dargestellt. Die Divergenz des Ionenbeams hängt stark von der Neutralisation durch die Elektronen ab. Im dargestellten Beispiel links ist die Neutralisation schlecht während rechts dieser Neutralisierungsprozeß optimiert und die Ionenbeam-Divergenz gering ist.
Referenzen
Othmer, C., K. H. Glassmeier, U. Motschmann, J. Schüle, Ch. Frick, Three-dimensional simulations of ion thruster beam neutralisation, Physics of Plasmas, 7, 5242-5251, 2000.
Othmer, C., K. H. Glassmeier, U. Motschmann, J. Schüle, Ch. Frick, Numerical Simulation of ion thruster‑induced plasma dynamics, Adv. Space Res., 29(9), 1357-1362, 2002.
Othmer, C., K. H. Glassmeier, U. Motschmann, I. Richter, Numerical parameter studies of ion thruster beam neutralization, J. of Propulsion and Power, 19, 953-963, 2003.