Die Effizienz eines Raketentriebwerks hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der die Teilchen des Treibstoffs abgestoßen werden. Was wäre also besser, als einen Teilchenbeschleuniger als Triebwerk zu benutzen?
Natürlich wird man dabei keine Kopie des LHC verwenden. Stattdessen wird man eine möglichst leichte und primitive Konstruktion verwenden. Geschwindigkeiten von 10 bis 100km/s sind für Raketentriebwerke zwar sehr ordentlich, aber für Teilchenbeschleuniger ist es lachhaft wenig. Einen einfachen Teilchenbeschleuniger hatte früher fast jeder zu Hause: Die Fernsehbildröhre. Es reicht aus, einen Draht zum Glühen zu bringen, um Elektronen freizusetzen. Die Elektronen werden mit positiv geladenen Metallplatten beschleunigt.
In einem Fernseher passiert das alles in einem Vakuum und die Elektronen prallen gegen den Bildschirm, wo sie eine Phosphorschicht zum Leuchten bringen. In einem Ionentriebwerk ist im Betrieb natürlich kein Vakuum, sondern der Treibstoff. Außerdem kann man mit den Elektronen kein Raumschiff antreiben, denn sie haben nicht einmal ein Tausendstel der Masse eines Protons.
In dem Triebwerk treffen eie Elektronen auf die Atome des gasförmigen Treibstoffs und ionisieren zumindest einige der Atome. Damit das passiert, ist am anderen Ende der Triebwerkskammer ein mit über 1000V positiv geladenes Gitter angebracht. Das zieht die Elektronen an und beschleunigt sie. Tatsächlich werden die Elektronen mit Magnetfeldern möglichst lang auf Kreisbahnen in der Kammer gehalten, damit sie auf möglichst viele Atome treffen können. Jetzt hat man ein Gemisch aus positiv geladenen Ionen und negativ geladenen Elektronen. Einige Elektronen treffen immer wieder auf das Gitter und verschwinden damit aus der Kammer. Insgesamt ist das Gas neutral geladen, weil Elektronen und positiv geladene Ionen gleichermaßen vorhanden sind. Deswegen gelangen auch immer wieder die positiven Ionen durch die Lücken des Gitters.
Hinter dem positiv geladenen Gitter steht in kurzer Entfernung ein zweites Gitter, das mit etwa 200 V negativ geladen ist. Die Spannungsdiferenz führt dazu, dass die Ionen beschleunigt werden und aus dem Triebwerk heraus fliegen. Der Spannungsunterschied reicht aus um die Atome im Durchschnitt auf hohe Geschwindigkeiten zu bringen. Hier liegt aber auch das Problem. Denn während die meisten Atome und Ionen durch die Lücken des Gitters hinaus ins Freie fliegen, treffen einige auch auf das Gitter selbst.
Das macht bei einigen Atomen nichts aus, aber wenn ein Triebwerk über Jahre ausdauernd läuft und kiloweise Treibstoff durch das Gitter hindurch muss, dann wird es irgendwann zerstört. Die Gesamtleistung solcher Triebwerke deswegen irgendwann begrenzt. Hinter dem Gitter müssen dann noch Elektronen mit den positiven Ionen vermischt werden, damit sich das Raumschiff nicht elektrisch aufläd.
Trotz der Limitierungen wurden solche Triebwerke erfolgreich eingesetzt, bei den ersten Test der SERT Reihe sogar schon in den 60er und 70er Jahren. Mit dem Niedergang der Raumforschung nach dem Ende des Apollo Programms, wurde die Technologie aber kaum noch weiter verfolgt. Erst in den 90er Jahren wurde sie wieder aus der Mottenkiste geholt und die Raumsonde DeepSpace-1 damit ausgestattet, was ihr zu einiger publizität verholf. Der Artemis Satellit konnte sich dank Ionentriebwerken aus einer misslichen Lage befreien, nachdem die Ariane 5 ihn in einen viel zu niedrigen Orbit abgesetzt hat.
Während diese Ionentriebwerke durchaus erfolgreich sind, ist ihre Leistung und Lebensdauer doch stark begrenzt. Das Triebwerk von DeepSpace-1 kam nicht einmal auf einen Schub von weniger als 0,1N. Selbst wenn man wollte, könnte man mit solchen Triebwerken kaum mehr Schub erzeugen, man müsste einfach immer noch mehr Triebwerke anbauen.
Um fundamental bessere Triebwerke zu bauen, muss man die Gitter los werden. Wie das geht, schreibe ich dann beim nächsten Artikel zu dem Thema.
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