Iónový motor

Iónový motor NSTAR, 2.3 kW

elektrostatický iónový pohon

Iónový motor, alebo iónový pohon je reaktívny motor, ktorý vytvára ťah urýchľovaním a vystreľovaním iónov v protismere zamýšľaného zrýchlenia, za pomoci elektrickej energie. Pre nízky dosahovaný ťah pohonu a teda mimoriadne nízke dosahované zrýchlenia, má obmedzenú špecifickú oblasť použitia. Používa sa najmä pre nepilotované dlhodobé kozmické misie a na dosahovanie vysokých kozmických rýchlostí. Iónové motory dosahujú extrémne vysokú výtokovú rýchlosť paliva, čím dosahujú vysoký špecifický impulz, čo je ich hlavnou výhodou.

Všeobecný princíp funkcie

ABEP, koncept iónového motora využívajúceho vysokú atmosféru.

• Iónový motor väčšinou používa pracovnú látku, ktorá sa ľahko skladuje, ľahko ionizuje a podľa možnosti minimálne opotrebováva vlastný motor. Existujú však aj moderné koncepcie (napr. ABEP), využívajúce na pohon zozbierané ióny z vysokej atmosféry vo výškach 200 – 1000 km nad povrchom Zeme. Takýto koncept funguje podobne ako Bussardov náporový motor, len miesto fúzneho reaktora sú ióny urýchľované konvenčným spôsobom.
• Ióny sa vhodným spôsobom ionizujú, napríklad tepelne, alebo mikrovlnne.
• Pre ionizáciu a urýchlenie iónov je potrebný výkonný elektrický zdroj. Spravidla sa používajú solárne panely, alebo rádioizotopový termoelektrický generátor. Uvažujú sa tiež koncepty z jadrovým reaktorom, fúznym reaktorom, alebo s premenou tepelenej energie Slnka, či laseru pomocou stirlingovho motora.
• Následne sú ióny vhodným spôsobom urýchlené, najčastejšie:
  • elektrostaticky
  • hallovou silou
  • magnetoplazmatickým motorom
• na záver sú vystreľované ióny často neutralizované elektrónovým delom, ktoré vstrekuje prebytočné elektróny do vyfukovaného iónového plynu.

Základné typy iónových pohonov

Pohon využívajúci Hallov efekt

Sonda Hayabusa2 s iónovým pohonom

Základné typy iónových pohonov delíme na:

• Elektrostatické pohony
  • Iónový motor s vysokonapäťovou urýchľovacou mriežkou
  • Iónový motor s Hallovým efektom
  • FEEP pohony
• Elektromagnetické (plazmové)
  • Pulzné plazmové pohony (PPT)
  • Magnetoplazmadynamické pohony
  • Plazmové pohony bez elektródy
  • Magnetoplazmatický pohon s elektrotermálnym vysokofrekvenčným ohrevom, s variabilným špecifickým impulzom (VASIMR)
  • Mikrovlnný elektrotermálny pohon

Základné rovnice iónových pohonov

Za najzákladnejšie rovnice pre iónový pohon považujeme ťah a špecifický impulz, teda výtokovú rýchlosť iónov.

Ťah iónového pohonu môžme vypočítať z výkonu motora a špecifického impulzu:

$F=2{\frac {\eta P}{gI_{\text{sp}}}}$

Kde:

• F je ťah motora v N,
• η je účinnosť pohonu
• P je elektrický výkon vo W,
• I_sp je špecifický impulz v sekundách (prevod: napr. I_sp=332 s je 3320 m/s)

Za ideálných podmienok je kladným iónom udelená rýchlosť:

$v_{iontu}={\sqrt {2\cdot \Delta U\cdot {\frac {Q_{iontu}}{m_{iontu}}}}}$

Príklady použitia iónových motorov

Príklady použitia iónových motorov

Iónový motor	Pohonná látka	Napájanie (kW)	Isp (m/s)	Ťah (mN)	Hmotnosť pohonu (kg)	Satelit	Cieľ satelitu
NSTAR	Xenón	2,3	33 000	92	8,33	Deep Space 1 Dawn	Prelet okolo asteroidu 9969 Braille Sonda k planetkám Vesta a Ceres.
NEXT	Xenón	6,9	41 000	236	13,5	DART mission	Test protimeteorickej obrany Zeme impaktný cieľ 65803 Didymos
X3	Xenón, al. Kryptón	102	26 000	5400	230
AEPS	Xenón	13,3	29 000	600	25	PPE modul	Výstavba lunárnej orbitálnej stanice Lunar Gateway
ECR	Xenón	0,25	30 000	8	59	Hajabusa (4x ECR)	Pristátie a návrat vzorky asteroid 25143 Itokawa

Pozri aj

Kozmonautický portál

• Raketový motor
• Bussardov náporový motor