Ionimoottori

Nasan Glenn Research Centerin NEXT-ionimoottori koekäytössä tyhjiökammiossa vuonna 2009.

Ionimoottori on avaruusalusten sähköpropulsiotekniikka, jossa työntövoimaa tuotetaan kiihdyttämällä varautuneita ioneja sähkökentässä. Ionimoottoreihin luetaan tyypillisesti sähköpropulsion sähköstaattisen haaraan kuuluvat verkolliset- (GIT), Hall- ja kenttäemissioionimoottorit (FEEP).

Ionimoottorin toiminta perustuu varauksettomien ajoaineatomien tai -molekyylien pommittamiseen elektronisuihkulla, jolloin nämä ionisoituvat positiivisesti varautuneeksi plasmaksi. Ajoaineplasma ohjataan sähkökenttään, missä se kiihtyy sähköstaattisen Coulombin voiman vaikutuksesta hyvin suuriin nopeuksiin, ja poistuu moottorista tuottaen alukselle pakokaasun virtaussuunnalle vastakkaisen työntövoiman.

Ionimoottorien tuottama työntövoima on varsin heikkoa, mutta ne kiihdyttävät pakokaasunsa erittäin suuriin nopeuksiin, minkä ansiosta ajoaineen käytön hyötysuhdetta mittaava ominaisimpulssi on moottorityypillä erittäin korkea. Ionimoottorit kykenevät pitkiin ja hitaisiin kiihdytyksiin, joilla ne kykenevät saavuttamaan suuria kemiallisia rakettejakin vastaavia liikemääriä huomattavasti pienemmällä ajoaineen kulutuksella.

Ionimoottorien pääkäyttökohteena ovat muiden sähköpropulsiomuotojen tapaan avaruudessa tapahtuvat kiertoratamuutokset, asemanpito radalla ja avaruuskappaleiden väliset siirtymiset.

Alatyypit

Verkollinen ionimoottori

Pääartikkeli: Verkollinen ionimoottori

Verkolliset ionimoottorit jakautuvat rakenteellisesti kolmeen pääosaan: purkauskammiossa sijaitsevaan plasmantuottajaan, kiihdytysverkkoihin ja neutralointikatodiin. Verkollisten moottorien kolme alatyyppiä ovat elektronipommitus-, radiotaajuus- ja mikroaaltoionimoottorit, ja ne eroavat toisistaan pääasiassa plasman tuottamiseen käytetyn menetelmän osalta. Kolme metodia on kuvattu alla:

• Elektronipommitusmoottoreissa plasma tuotetaan pommittamalla varaukseltaan neutraalia ajoainetta onton katodin termisessä emissiossa vapauttamilla elektroneilla, jotka virtaavat katodilta moottorin anodille, törmäten samalla varauksettomaan ajoaineeseen. Ylimääräinen elektroni saa ajoaineatomit tai -molekyylit ionisoitumaan positiiviseksi plasmaksi.
• Radiotaajuusmoottoreissa
• Mikroaaltoionimoottoreissa

Hall-ionimoottori

Pääartikkeli: Hall-ionimoottori

Kenttäemissioionimoottori

Pääartikkeli: Kenttäemissioionimoottori

Kenttäemissiomoottorit (lyh. FEEP, engl. Field-emission electric propulsion) jakautuvat rakenteellisesti kolmeen pääosaan: emitteriin, kiihdytinelektrodiin ja neutraloijaan.

Verkollisista- ja Hall-ionimoottoreista poiketen niiden ajoainesyöttö tapahtuu nestemäisessä olomuodossa, minkä jälkeen nestemäinen ajoaine ionisoituu emitterin ja kiihdytinelektrodin välisen korkean potentiaalieron aikaansaamassa kenttäemissiossa.

Kenttäemissiomoottorit jaotellaan alatyyppeihin rakenteen ja käytetyn ajoaineen mukaan (nestemetallit cesium, indium ja elohopea, sekä erillisenä suolasulat).

• Rakennetyypit
  • lineaarirako
  • neula

• Ajoainetyypit
  • Cesiumkenttäemissiomoottori (lyh. Cs-FEEP)
  • Indiumkenttäemissiomoottori (lyh. In-FEEP)
  • Elohopeakenttäemissiomoottori (lyh. Hg-FEEP)
  • Suolasuolakenttäemissiomoottori (lyh. IL-FEEP, engl. Ionic liquid FEEP)

Suorituskyky

Ionimoottorien tuottama työntövoima on varsin heikko, vaihdellen Hall-moottoreissa välillä 10 µN – 2 N ja verkollisissa moottoreissa välillä 10 µN – 0,2 N. Moottorityyppi kykenee kuitenkin saavuttamaan erittäin suuria pakokaasun nopeuksia, (Hall-moottoreissa 10-20 km/s ja verkollisissa 20-40 km/s) minkä ansiosta ajoaineen käytön hyötysuhdetta mittaava ominaisimpulssi on erittäin korkea, liikkuen avaruuteen laukaistuissa Hall-moottoreissa 1 500–2 000 ja vastaavanlaisissa verkollisissa moottoreissa 2 500–3 600 sekunnin välillä. Laboratoriokoekäyttöön edenneissä moottoreissa on saavutettu jopa 17 000 sekunnin ominaisimpulsseja. Kokeellinen DS4G-ionimoottori saavutti vuonna 2006 ennätyksellisen 210 km/s pakokaasunopeuden ja noin 19 400 sekunnin ominaisimpulssin.

Lentokäyttöön edenneiden ionimoottorien kokonaishyötysuhteet ovat Hall-moottoreissa vaihdelleet 35-60 prosentin ja verkollisissa moottoreissa 40-80 prosentin välillä.

Historia

NSTAR-ionimoottoria testataan JPL:ssä tyhjiökammiossa. Ionisoitunut ksenonkaasusuihku hehkuu sinisenä.

Rakettitekniikan alkuisät Konstantin Tsiolkovski ja Robert Goddard loivat varhaisimmat visiot avaruusalusten sähköpropulsiosta ja ionimoottoreista. Goddard tutki sähköpropulsiota harvakseltaan vuodesta 1906 aina vuoteen 1917, jolloin hän hankki patentin ”metodille tuottaa sähköistettyjä kaasusuihkuja” (”Method of and Means for Producing Electrified Jets of Gas”). Patentti sisälsi kolme kaaviota, joista yhtä voidaan pitää varhaisimpana sähköstaattisen ionimoottorin mallina.

Merkittävät sähköpropulsion kehitysohjelmat käynnistyivät Yhdysvalloissa ja Neuvostoliitossa 1960-luvulla. Yhdysvalloissa tutkimusta tekivät muun muassa Nasan Glenn Research Center ja Jet Propulsion Laboratory, sekä yksityinen Hughes Research Laboratories, kun Neuvostoliitossa tutkimus jakautui eri instituuttien välille. Molemmat suurvallat laukaisivat ensimmäiset varhaisia cesium- ja elohopea-ajoaineita käyttäneet kokeelliset ionimoottorit kiertoradalle 1960-luvun alkuvuosina. Verkollisten- ja Hall-ionimoottorien kehitysohjelmat jatkuivat 1980-luvulle saakka.

Yhdysvalloissa sähköpropulsioon liittyvän tutkimuksen perusta syntyi 1960- ja 1970-luvun vaihteessa ilmestyneiden julkaisujen pohjalle. Ensimmäinen sähköpropulsiomenetelmiä käsitellyt systemaattinen analyysi oli Ernst Stuhlingerin vuonna 1964 julkaisema Ion Propulsion for Space Flight. Robert G. Jahnin kirjoittama, neljä vuotta myöhemmin julkaistu Physics of Electric Propulsion kuvaili kattavasti moottoreihin liittyviä fysikaalisia ilmiöitä. George R. Brewerin kirjoittama, vuonna 1970 julkaistu Ion Propulsion Technology and Applications esitti varhaisten ionimoottorien cesium- ja elohopea-ajoaineisiin pohjautuneen teknologian, sekä sähköpropulsiolle yleisen matalaan työntövoimaan perustuneen avaruusmissioprofiilin rata-analyyseineen.

Neuvostoliittolaiset asensivat vuonna 1971 kahteen Meteor-satelliittiin SPT-60 -Hall-moottorit. Moottorityypin käyttö neuvostoliittolaisissa tietoliikennesatelliiteissa olikin sähköpropulsion ensimmäinen laajamittainen käyttökohde. Moottorityypin käyttö näissä kohteissa on jatkunut Venäjällä Neuvostoliiton hajoamisen jälkeen.

Ensimmäinen pohjois-eteläsuuntaiseen asemanpitoon suunniteltu ionimoottori laukaistiin japanilaisen Engineering Test Satellite 6 (ETS 6) -koesatelliitin kyydissä vuonna 1995. Kantoraketin laukaisun osittainen epäonnistuminen esti kuitenkin ionimoottorin käytön asemanpitoon, mutta moottoria operoitiin tästä huolimatta onnistuneesti kiertoradalla.

Ionimoottorien kaupallinen käyttö käynnistyi Yhdysvalloissa vuonna 1997, kun Hughes toi markkinoille Xenon Ion Propulsion System (XIPS) -moottorinsa. NASA laukaisi vuotta myöhemmin kokeellisen NSTAR-ionimoottorin osana Deep Space 1 -luotaintaan.

Lähteet

• Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters
• Pulsed Plasma Thrusters for Small Satellites
• Development of a miniature gridded ion thruster