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Autor Thema: Elektrische Antriebe  (Gelesen 50148 mal)

Offline Klakow

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Re: Elektrische Antriebe
« Antwort #150 am: 19. August 2018, 08:56:36 »
Die hier geposteten 270kg Triebwerksmasse für einen Hallthruster mit ca. 5N bei 250kW erscheint auf den ersten Blick vielleicht als viel, nur bedeutet 250kW derzeit eine Solarpannelmasse von mindestens 1125kg!

Derzeit ist die beste Stellschraube um hier mehr Schub/kg des Antriebssystems zu erzielen offensichtlich die Stomversorgung, kommt man dicht an die 1kW/kg ran bringt eine Verbesserung der Pannels immer weniger.
Falls DS4G keine Totgeburt war, würde die Parität von spezifischer Triebwerks- zur Panelmasse eher bei 12,5kW/kg liegen.
Wenn ich das richtig verstehe , ist der Vorteil von Xenon zum eine die hohe Dichte und einfache Lagerung und die relativ niedrieger Ionisierungennergie. Mit Argon würde man vermutlich auch gut leben können falls, man die Pannels leicht genug bauen könnte.
Leider werde ich es vermutlich nicht mehr erleben das man in Regionen von 10kW/kg kommt, den damit würde jeder Chemische Antrieb oberhalb vom LEO antriebstechnich sinnlos werden.

Offline Chris3445

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Re: Elektrische Antriebe
« Antwort #151 am: 12. November 2018, 00:06:16 »
Hallo zusammen!
Ich habe eine Frage bezüglich Ionenantriebe. Inwiefern beeinflusst der Treibstoff bei elektrischen Antrieben den Schub und spezifischen Impuls wenn die elektrische Leistung bleibt gleich? Sagen wir bei 250 kw erhalte ich mit Xenon 2,5 N und 19.300 s. Wie verhält es sich, wenn ich bei gleicher elektrischer Leistung Argon, Krypton, Caesium oder Quecksilber statt Xenon als Treibstoff benutze?


Offline Klakow

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Re: Elektrische Antriebe
« Antwort #152 am: 12. November 2018, 00:25:38 »
Es hat was mit dem Atomgewicht zu tun, man braucht zum Beschleunigen mit Ionenantrieben eben Ionen und hierzu bauscht man fast gleichviel Energie egal um was es geht, deshalb ist es günstig schwere Stoffe und da vorzugsweise Gase einzusetzen.
Xenon ist das sehr gut, ist aber teuer weil aufwändig herzustellen. Argon könnte man leicht auch aus der Mars-Atmosphäre gewinnen.
Da die Ionisierungsenergie faktisch verloren geht, senken leichte Stoffe den Wirkungsgrad.

Offline Chris3445

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Re: Elektrische Antriebe
« Antwort #153 am: 12. November 2018, 00:48:38 »
Dann bekomme ich mit Caesium und Quecksilber einen größeren Schub als bei Xenon bei vergleichbaren spezifischen Impuls?

Offline Klakow

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Re: Elektrische Antriebe
« Antwort #154 am: 12. November 2018, 18:55:51 »
Möglich, aber es geht nicht nur um den Schub sondern auch um den damit erreichbaren ISP und um den Dauerbetrieb.
Hier sind Gase und vor allem Edelgase von Vorteil den eine Reaktion mit der Umgebung findet faktisch nicht statt.
Das wichtigste ist dann natürlich auch was man erreichen will, nur einen hohen Schub aber niedrigen ISP?
Meiner Meinung nach braucht man hier eine Stützmasse mit der man ein deltaV von einigen 100m/s bis 30km/s bei vernünftigem Verhältnis der Nutzlast zur Treibstoffmasse kommt.
hast du zum Beispiel einen lagerfähigen Treibstoff mit einem ISP von 3000m/s, ergibt das bei einem Verhältnis der Abflugmasse (volle Tanks) bis zu leeren Tanks von:
(Mvoll/Mleer):
1,25->670m/s   (20%    Treibstoff)
1,5 -> 1216m/s (33,3% Treibstoff)
2    -> 2080m/s (50%    Treibstoff)
3 -> 3295m/s  (2/3 Treibstoff)
4 -> 4160m/s  (75% Treibstoff)
5 -> 4830m/s  (80% Treibstoff)
Typischerweise geht es beim Ionenantrieb deutlich über 20km/s erst richtig los, das wäre dann selbst bei nur 20% Treibstoff
mit 21,65km/s schon ein dV von 4830m/s.

Also 80% der Masse bleibt übrig, anstatt 20%
Ob das nun 75%, 80% oder 85% sind ist relativ unwichtig, was wirklich wichtig ist, das ist der Faktor 4!
Addiert man das nun zur Bahngeschwindigkeit vom LEO, kommt man auf 12630m/s, das reicht zum Mond aber noch nicht viel weiter.
Will man z.B. zum Mars und das mit ordentlicher Geschwindigkeit braucht man bei dem Masseverhältnis ca. 30km/s, oder man muss die Kröte schlucken das halt nicht 80% der Masse das Ziel erreicht, sondern vielleicht nur noch 65%.
Wie jeder der sich mit dem Thema mal intensiver beschäftigt hat, ist selbst ein ISP von 190km/s erreichbar und das wäre natürlich wirklich toll, damit könnte man damit doch ein dV von sagenhaften 42,4km/s erreichen und das bei nur 20% Treibstoffmasse.
Leider würde dies auch bedeuten, das zur Beschleunigung, im Vergleich mit einem ISP von 30km/s auch die 40-fache Energie braucht.
In der Realität bedeutet dies man derzeit selbst dann wenn das Triebwerk die 190km/s ohne Probleme verkraften könnte, dies nur zur Kurskorrektur nutzen wird.
Xenon ist fast optimal nur leider ziemlich teuer.
Falls es gelingt Solarzellen viel leichter zu bauen würde ich vermutlich eher auf Argon setzen, das ist immer noch relativ schwer aber sehr einfach zu gewinnen und fast beliebig verfügbar.
An einer Stelle ist Xenon wohl nicht zu schlagen, am dichteverlauf, siehe:
hier
Selbst bei sehr moderater Kühlung ist das zeug sehr dicht, was bedeutet die Tanks brauchen nicht viel Kühlung und brauchen wenig Druck.

Offline Doc Hoschi

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Re: Elektrische Antriebe
« Antwort #155 am: 12. November 2018, 20:58:26 »
Dann bekomme ich mit Caesium und Quecksilber einen größeren Schub als bei Xenon bei vergleichbaren spezifischen Impuls?

Cäsium wurde bisher ebenso wie Quecksilber meines Wissens nach nur als Flüssigmetall bei FEEP (Field Emmisison Electric Propulsion) eingesetzt. Der Schub war nicht sehr hoch, wohl aber der erreichte ISP-Wert.
Beide Elemente haben aber bekanntlich ihre Nachteile. Bei Quecksilber ist es die Toxizität und der damit verbundene Sicherheitsaufwand (zumindest bei den Bodentests) und bei Cäsium die korrosive Wechselwirkung mit der Elektroden-Hardware.

Jod als Treibstoff ist sogar wesentlich effzienter (siehe Link unten) als das heute zumeist verwendete Xenon. An einem ersten Prototypen arbeiten Busek (iSat) und laut einer aktuellen Meldung vor einigen Tagen nun wohl auch ExoTerra.

https://spacenews.com/exoterra-investment/
https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/isat_fact_sheet_26oct2015.pdf
Douglas Adams: "In an infinite universe, the one thing sentient life cannot afford to have is a sense of proportion."

Offline aasgeir

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Re: Elektrische Antriebe
« Antwort #156 am: 21. November 2018, 20:19:59 »
Hier mal eine Nachricht zu einem etwas anders gearteten elektrischen Antrieb, nicht für den Antrieb im "leeren" Raum, sondern in Atmosphären:
Forscher am MIT haben einen Prototyp-Flieger entwickelt, dessen Antrieb gänzlich ohne bewegte Teile auskommt (Anm.: so etwas könnte sehr interessant werden zB für Explorationsflieger in der Venus-Atmossphäre, die so über lange Zeiträume in gemässigten Temperaturzonen fliegen könnten. Man sieht ja an den verbreiteten Problemen mit Gyroskopen bzw Drallrädern, wie oft man bei Subsystemen mit dauerbewegten Teilen an Lebensdauergrenzen stößt. Im Unterschied zum Ionenantrieb muß man auch kein Stützgas mitführen, sondern man benutzt die vorhandene Atmosphäre dazu, so dass die Betriebsdauer praktisch unbegrenzt wäre).
Der Prototyp-Flieger besitzt unterhalb der Tragflächen eine Reihe von Lamellen, vor deren Vorderkante jeweils ein dünner Draht gespannt ist. zwischen Draht und Lamelle wird eine Hochspannung angelegt (in diesem Fall 40 kV). In der unmittelbaren Umgebung des dünnen Drahts ist die Feldkonzentration so hoch, dass die Moleküle der Atmosphärengase ionisiert werden; diese Ionen werden dann entlang der Feldlinien zur Lamelle  beschleunigt, kolldieren auf dem Weg mit anderen, neutralen Gasteilchen und beschleunigen diese über Stöße in Richtung nach hinten; über diesen neutralen Gasstrom wird ein Vorschub erzeugt.
Der am MIT gebaute Prototyp hatte folgende Kenndaten:
  Spannweite       =  5 m
  Gewicht             =  2,45 kg
  Hochspannung  =  40 kV
  elektr. Leistung =  600 W
  die bisher erreichte Flugweite betrug 60 m (begrenzt wohl durch die Akkukapazität)

Eine ausführliche Beschreibung  des Prinzips (mit Zeichnungen) findet man hier:
https://www.theguardian.com/science/2018/nov/21/first-ever-plane-with-no-moving-parts-takes-flight
(edit):oder auch auf deutsch:
http://www.goettinger-tageblatt.de/Nachrichten/Wissen/Fast-wie-bei-Star-Trek-Erstes-Flugzeug-fliegt-mit-Ionenantrieb

Offline FlyRider

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Re: Elektrische Antriebe
« Antwort #157 am: 22. November 2018, 14:39:34 »
Die Frage ist, wie sich der Wirkungsgrad entwickeln lässt .... 620 W um dieses Leichtbaufliegerchen in der luft zu halten - für einen Start reicht der Schub nicht .... ein 40 W Brushless mit Prop tät's wahrscheinlich auch.

Offline Düse2020

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Re: Elektrische Antriebe
« Antwort #158 am: 11. März 2020, 12:47:26 »
Hallo Zusammen,

Kann mir jemand sagen, warum der der Ionenstrahl hinter dem Triebwerk neutralisiert werden muss?


Offline Pirx

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Re: Elektrische Antriebe
« Antwort #159 am: 11. März 2020, 12:57:25 »
Hallo Zusammen,

Kann mir jemand sagen, warum der der Ionenstrahl hinter dem Treibwerk neutralisiert werden muss?
Ich vermutet stark: Wenn der Ionenstrahl nicht neutralisiert wird, läd sich das Raumfahrzeug auf. Wenn es innerhalb des Raumfahrzeugs zu Spannungsüberschlägen kommt, kann dort Hardware kaputt gehen.

Das passiert(e) auch schon durch andere Ionisierungseffekte, die selbst durch chemische Triebwerke ausgelöst werden können, oder z.B. durch Teilchenströme durch die Sonne ...

Gruß  Pirx
Die gefährlichste Weltanschauung ist die Weltanschauung derer, die die Welt nie angeschaut haben. (Alexander von Humboldt)

Offline FlyRider

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Re: Elektrische Antriebe
« Antwort #160 am: 11. März 2020, 18:09:21 »
Wenn du das "Abgas" nicht neutralisierst, handelst du dir ein gewaltiges elektrisches Feld ein. Letzlich würde das "Abgas" zurückkehren und die Wechselwirkung zwischen Ionen und Elektronen würde den Schub zunichte machen. 
« Letzte Änderung: 11. März 2020, 20:08:51 von FlyRider »

Offline Pirx

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Re: Elektrische Antriebe
« Antwort #161 am: 11. März 2020, 20:48:01 »
Stimmt. wenn ich die Stützmasse erst herausschleudere und dann wieder anziehe ...

In "Electric Propulsion on SMART-1" beispielsweise heisst es: "The xenon is ionised and accelerated to 60 000 km/h by an electric field, thereby producing thrust. Ionisation occurs when an electron current is generated by the external cathode. This current is constrained by a radial magnetic field. The Hall effect means that the ions and electrons swerve in opposite directions in the magnetic field, creating an electric field. This expels the xenon ions as a propulsive jet. Electrons from an external cathode neutralise the beam to prevent the spacecraft from becoming electrically charged."

Gruß   Pirx
« Letzte Änderung: 11. März 2020, 22:05:55 von Pirx »
Die gefährlichste Weltanschauung ist die Weltanschauung derer, die die Welt nie angeschaut haben. (Alexander von Humboldt)

Offline McPhönix

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Re: Elektrische Antriebe
« Antwort #162 am: 11. März 2020, 22:49:05 »
Wenn du das "Abgas" nicht neutralisierst, handelst du dir ein gewaltiges elektrisches Feld ein. Letzlich würde das "Abgas" zurückkehren und die Wechselwirkung zwischen Ionen und Elektronen würde den Schub zunichte machen.
Genau.
Deshalb funktioniert es nicht (wie ich schon mal lesen mußte) daß man ja in einem Faradayschen Käfig sitzt und die Ladung nicht spürt. Und halt bei der Landung einen großen Blitz hat und alles ok.
Ich habe keine Angst vor Aliens. Solange sie über uns lachen wegen dem kleinkarierten Raketengefummel auf der Erde, tun sie uns nix.

Offline Pirx

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Re: Elektrische Antriebe
« Antwort #163 am: 12. März 2020, 07:27:25 »
Wenn du das "Abgas" nicht neutralisierst, handelst du dir ein gewaltiges elektrisches Feld ein. Letzlich würde das "Abgas" zurückkehren und die Wechselwirkung zwischen Ionen und Elektronen würde den Schub zunichte machen.
Genau.
Deshalb funktioniert es nicht (wie ich schon mal lesen mußte) daß man ja in einem Faradayschen Käfig sitzt und die Ladung nicht spürt. Und halt bei der Landung einen großen Blitz hat und alles ok.
Hallo, verstehe dein Bild/Beispiel/Argument mit dem Faradayschen Käfig nicht. Kannst Du das noch etwas erläutern?

Gruß´  Pirx
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Offline McPhönix

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Re: Elektrische Antriebe
« Antwort #164 am: 12. März 2020, 12:52:30 »
Naja man sitzt ja in einem geschlossenen Metallgefäß. In ein solches kann keine elektrische Ladung eindringen, sagt der Herr Faraday. Selbst wenn kleine Öffnungen drin sind (Käfig).
Der Van de Graff Generator arbeitet ja auch mit dem Prinzip. Insofern war die Überlegung ja richtig. Ein Blitz bei der Landung und zack - neutral.

Was nicht bedacht wurde - man braucht ja unterwegs  auch Funkverkehr. Und muß vlt auch mal außenbords was tun. An den "Kurzschluß" außerhalb der Triebwerke (FlyRider) hat damals noch keiner gedacht.

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Offline DF2MZ

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Re: Elektrische Antriebe
« Antwort #165 am: 13. März 2020, 18:05:47 »
Es gibt keinen Blitz bei der Landung. Wenn der Ionenstrahl nicht neutralisiert wird, kommen die positiven Ionen zurück weil sich das Raumfahrzeug negativ auflädt. Alles bleibt neutral aber es gibt eben auch keinen Schub. Der Stromkreis wird immer geschlossen, entweder über den Elektronenstrom des Neutralisators oder über den nicht neutralisierten Antriebsstrahl.

Offline Klakow

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Re: Elektrische Antriebe
« Antwort #166 am: 13. März 2020, 19:19:55 »
Das ist meiner Meinung nach ein Scheinproblem, mir ist keine Konstruktion bekannt wo nicht dafür gesorgt wird das eine Aufladung verhindert wird.

Offline DF2MZ

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Re: Elektrische Antriebe
« Antwort #167 am: 13. März 2020, 19:25:07 »
Klakow, es gab eine berechtigte Frage von Düse2020 und verschiedene Versuche sie zu beantworten. Ein Problem wurde nirgendwo benannt.

Offline Düse2020

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Re: Elektrische Antriebe
« Antwort #168 am: 21. März 2020, 20:39:18 »
Danke nochmal Für die Antworten
 
Aber was Passiert eigentlich mit den Elektronen innerhalb Ionisationskammer? Die müssten doch immer mehr werden, wenn diese ebenfalls nicht „Neutralisiert“ werden?

Offline Hugo

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Re: Elektrische Antriebe
« Antwort #169 am: 22. März 2020, 00:07:50 »
Die Elektronen werden beim Neutralisieren wieder der ionisierten Stützmasse zugegeben.