Quelltext der Seite Ionenantrieb

[[Datei:Ion Engine Test Firing - GPN-2000-000482.jpg|mini|Testlauf eines Xenon-Ionentriebwerks der NASA]]
[[Datei:Deep Space 1 ion engine.jpg|mini|NSTAR-Ionentriebwerk der [[Deep Space 1|Deep-Space-1]]-Raumsonde]]
[[Datei:Hayabusa(Muses-C) sampling.jpg|mini|Japanische Raumsonde ''[[Hayabusa (Raumsonde)|Hayabusa]]'' mit Ionentriebwerken (links)]]

'''Ionenantrieb''' ist eine [[Antriebsmethoden für die Raumfahrt|Antriebsmethode für Raumfahrzeuge]]; ein '''Ionentriebwerk''' nutzt den [[Rückstoßantrieb|Rückstoß]] eines erzeugten (neutralisierten) [[Ionenstrahl]]s zur Fortbewegung.
Je nach genutzter Energiequelle wird zwischen ''solarelektrischem'' (engl. {{lang|en|''Solar Electric Propulsion''}}, SEP) und ''nuklearelektrischem Antrieb'' (engl. {{lang|en|''Nuclear Electric Propulsion''}}, NEP) unterschieden.

Ionentriebwerke erzeugen zwar einen für einen [[Raketenstart]] direkt von der Erde zu geringen [[Schub]], verbrauchen aber weniger [[Stützmasse]] als chemische Triebwerke. Deshalb sind sie als Sekundärtriebwerke für den energieeffizienten Dauerbetrieb geeignet, besonders für die langen Flugbahnen interplanetarer Sonden, ebenso für [[geostationärer Satellit|geostationäre Satelliten]], um die [[Säkular (Astronomie)|Drift]] auszugleichen.

== Funktion ==
Erzeugt wird der Ionenstrahl, indem [[Gas|Gasatome]] (z.&nbsp;B. [[Xenon]]) oder Kleinsttröpfchen (z.&nbsp;B. [[Quecksilber]]) durch eine Kathode zunächst [[Ionisation|ionisiert]] werden. Anschließend werden sie in einem [[Elektrisches Feld|elektrischen Feld]] beschleunigt. Nach der Passage des sogenannten [[Neutralisator]]s, der dem Strahl wieder Elektronen zuführt und ihn somit elektrisch neutral macht, werden die Teilchen in Form eines Strahls ausgestoßen. Der Neutralisator ist ein wichtiger Bestandteil des Systems. Ohne ihn würde sich dieses aufladen und der Strahl [[Diffusion|diffundieren]] und in einem Bogen zum Raumfahrzeug zurückkehren.

Die Antriebsleistung ist nicht wie bei chemisch arbeitenden Raketen in den reagierenden Treibstoffkomponenten gebunden, sondern stammt vom angelegten elektromagnetischen Feld. Die Antriebsleistung und der Wirkungsgrad hängt vor allem von der eingesetzten elektrischen Energie ab. Ein Treibstoff im herkömmlichen Sinne existiert nicht, jedoch geht die Stützmasse verloren.

{{Anker|Gitterionenquelle}}Bei Radiofrequenz-Ionentriebwerken (RIT) verwendet das Triebwerk als Stützmasse meist das Edelgas Xenon. Das Arbeitsgas wird per Elektronenstoßionisation ionisiert, indem freie Elektronen durch ein elektrisches [[Wirbelfeld]], das von einer um das Triebwerk gewundenen [[Induktionsspule]] erzeugt wird, typischerweise auf Energien von 3 bis 10&nbsp;[[Elektronenvolt]] beschleunigt werden. Die entstehende [[Plasmaentladung]] zählt zur Klasse der Niedertemperaturplasmen, welche in vielen technologischen Bereichen eingesetzt wird (u. a. für Leuchtstoffröhren). Die durch die Ionisation entstandenen (im Falle von Xenon positiv) geladenen Ionen werden mittels eines elektrostatischen Feldes durch eine Gitteranordnung aus dem Triebwerk extrahiert, wodurch nach dem [[Impulserhaltungssatz]] Schub in die entgegengesetzte Richtung der entweichenden Ionen verursacht wird.

Zur erfolgreichen Inbetriebnahme eines RIT sind einige weitere Einrichtungen wie [[Gasflussregler]] und Energiequellen vonnöten, die zum Beispiel die für die Extraktion notwendigen [[Hochspannung]]en bereitstellen. Die Einspeisung der leistungsstarken Hochfrequenz wird typischerweise mit einer Halbbrücken-Topologie in einem [[Serienresonanzwandler]] erreicht, da somit hohe elektrische Effizienzen ermöglicht werden, die weiterhin das [[Thermomanagement]] des Satelliten begünstigen.

Sowohl die plasmaphysikalischen Prozesse als auch der Bau von Triebwerksystemen sind Forschungsgegenstand vieler weltraumbezogener Institutionen und Firmen weltweit. Testläufe müssen in einer Vakuumkammer ablaufen und die Ermittlung der Abnutzung kann dabei Jahre dauern. Kommerziell wird die RIT-Technologie zum Beispiel durch das Unternehmen [[ArianeGroup]] vertreten. In Deutschland beschäftigen sich neben ArianeGroup ([[Lampoldshausen]]) vor allem die Gießener Hochschulen ([[Justus-Liebig-Universität Gießen]] und [[Technische Hochschule Mittelhessen]]) sowie das [[Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt|Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt]] in [[Göttingen]] mit dieser Technologie.

== Vergleich ==
Bisherige Ionenantriebe besitzen gegenüber konventionellen chemischen [[Raketentriebwerk]]en einen weit geringeren Schub, bei Sondenantrieben etwa vergleichbar mit der [[Gewichtskraft]] einer Postkarte (70 [[Newton (Einheit)|Millinewton]]), jedoch bei einer deutlich erhöhten Austrittsgeschwindigkeit des Gases (10 bis 130&nbsp;km/s, Prototypen bis 210&nbsp;km/s<ref>''[https://www.newscientist.com/article/dn8599-super-powerful-new-ion-engine-revealed/ Super-powerful new ion engine revealed].'' New Scientist, 18. Januar 2006.</ref>) und einer deutlich längeren Wirkdauer. Die Gesamtmasse des Raumfahrzeugs muss dennoch so klein wie möglich gehalten werden, um für den Betrieb ausreichende Beschleunigungen und damit annehmbare Schubdauern zu erreichen.

Die Sonde [[SMART-1]] wog z.&nbsp;B. 367 Kilogramm und führte 84&nbsp;kg Xenon als Stützmasse für das Triebwerk [[PPS 1350]]  mit. Ionentriebwerke haben einen hohen Leistungsbedarf (bei SMART-1 1300&nbsp;W allein für das Triebwerk). Erst die neuesten Triple-Junction-GaInP2/GaAs/Ge-Solarzellen liefern eine ausreichende [[Leistung (Physik)|Leistung]] pro Fläche (bei SMART-1 ca. 370&nbsp;[[Watt (Einheit)|Watt]]/m², Wirkungsgrad 27 %), um bei vertretbarer [[Solarmodul]]-Größe brauchbare Ionenantriebe zu versorgen.

Eine Verdoppelung der Austrittsgeschwindigkeit einer bestimmten Masse erfordert die vierfache Energie. Ziel bei der Konstruktion eines Ionenantriebes ist es, die benötigte Stützmasse so gering wie möglich zu halten. Dazu bedarf es nach der [[Raketengrundgleichung]] einer maximalen Ausströmgeschwindigkeit. Der Bau eines Ionenantriebes ist also immer ein Kompromiss zwischen Energie- und Stützmassenbedarf. Bei hohen Energien unterliegen die Triebwerke außerdem einem verstärkten Verschleiß.

Der Vorteil des Ionenantriebs gegenüber dem [[Raketentriebwerk#Chemisches Raketentriebwerk|chemischen Antrieb]] liegt darin, dass bei gleichem gelieferten Gesamtimpuls (d.&nbsp;h. erreichter Geschwindigkeitsänderung) weniger Stützmasse verbraucht wird, weil die Geschwindigkeit der austretenden Teilchen wesentlich größer ist. Der auf die Erdbeschleunigung normalisierte [[Spezifischer Impuls|spezifische Impuls]] liegt bei den heute verfügbaren Ionentriebwerken mit über 3000&nbsp;s<!-- In der Literatur wird der spezifische Impuls von Raumfahrttrieberken üblicherweise in der Einheit Sekunden (s) angegeben, womit die auf g0 normalisierte Form gemeint ist. Wir richten uns nach diesen externen Quellen. --> etwa sechsmal höher als bei chemischen Triebwerken mit 470&nbsp;s.

Ionenantriebe herkömmlicher Bauart funktionierten nur im Vakuum. Die durch übliche [[Wind|Luftbewegungen]] ausgeübte Kraft ist meist größer als der Schub. Im November 2018 stellten Wissenschaftler des [[Massachusetts Institute of Technology|MIT]] die Entwicklung eines in der Atmosphäre funktionsfähigen Ionenantriebs vor.<ref name="MIT-Ionen">{{Internetquelle |url=https://www.gq-magazin.de/auto-technik/article/erstes-flugzeug-mit-ionenantrieb-absolviert-testflug |titel=Erstes Flugzeug mit Ionenantrieb absolviert Testflug |titelerg= |werk=wired.de |hrsg=[[Wired]] |datum=2018-11-22 |offline=ja |archiv-url=https://web.archive.org/web/20201020180542/https://www.gq-magazin.de/auto-technik/article/erstes-flugzeug-mit-ionenantrieb-absolviert-testflug |archiv-datum=2020-10-20 |abruf=2025-12-16}}</ref>

Ionentriebwerke haben Aufnahmeleistungen im Watt- bis Kilowattbereich und Schübe unterhalb 20&nbsp;mN.<ref> https://www.enpulsion.com/order/ </ref> Zur Beschleunigung größerer Massen eignen sich Ionentriebwerke daher nur, wenn sie über längere Zeit (Wochen, Monate oder Jahre) arbeiten können. Neuere Modelle erreichen Schübe über 100 mN.

== Geschichte ==
Das Prinzip des Ionenantriebs wurde vom Raumfahrtpionier [[Hermann Oberth]] in seinem als „Bibel der Raumfahrttechnik“<ref>{{Literatur |Autor=Hans Barth |Titel=Hermann Oberth Leben-Werk-Wirkung |Verlag=Uni-Verlag Dr. E. Roth-Oberth |Ort=Feucht |Datum=1985 |ISBN=3-924899-00-2 |Seiten=117}}</ref> bezeichneten Werk [[Wege zur Raumschiffahrt]]<ref>{{Literatur |Autor=Hermann Oberth |Titel=Wege zur Raumschiffahrt |Verlag=VDI-Verlag |Ort=Düsseldorf |Datum=1992 |ISBN=3-18-400755-3 |Seiten=336–350 |JahrEA=1929}}</ref> bereits 1929 vorgestellt, in dem er erstmals die Physik, die Funktion, die Konstruktion und die Nutzung für den interplanetaren Flug des von ihm entworfenen Ionentriebwerks auf den Seiten 386 bis 399 beschreibt. Hermann Oberth stellte zudem auf der 12. Raketen- und Raumfahrttagung der [[Hermann-Oberth-Gesellschaft|Deutschen Raketen-Gesellschaft]] (DRG) im September 1963 in Hamburg eine neue Idee zum elektrischen Raumschiff vor.<ref>{{Literatur |Autor=Hermann Oberth |Titel=Das elektrische Raumschiff |Verlag=EBÖ-Druck und Verlag der DRG, Bölkow-Bibliothek |Ort=Hannover |Datum=1963}}</ref> Zitat: „Mein Vorschlag betrifft ein elektrisches Raumschiff, das nicht Ionen und Elektronen ausstößt, sondern Nebeltröpfchen, die größenordnungsmäßig je nach Vorhaben 1.000 bis 100.000-mal größer sind und sich um ein Ion oder Elektron als Kondensationskern bilden.“

In den 1960er Jahren wurde in ersten Versuchen [[Caesium|Cäsium]] oder [[Quecksilber]] als Treibstoff genutzt, wobei die metallischen Bauteile zur Ionenerzeugung jedoch rasch [[Korrosion|korrodierten]]. Größtes Problem war die Korrosion einer messerscharfen Schneide, an der mittels Tröpfchenionisation die notwendigen Ionen erzeugt wurden. Erst mit dem Einsatz des [[Edelgase]]s Xenon als Treibstoff bekam man dieses Problem besser in den Griff. Weitere Vorteile des Xenons sind, dass es im Gegensatz zu Metallen nicht verdampft werden muss, ungiftig ist und aus einem Druckgastank leicht in das Triebwerk befördert werden kann. Besonders die Förderung des bei Zimmertemperatur festen Cäsiums war in der Praxis sehr schwierig. Als Nachteil gegenüber Quecksilber ist die niedrigere [[Atommasse]] zu sehen. Außerdem benötigt das Xenon gegenüber den beiden Metallen höhere Ionisationsenergien.

Beim ''RIT-Triebwerk'' (engl. {{lang|en|''Radiofrequency Ion Thruster''}}) werden die Ionen mittels induktiver Einkopplung eines Hochfrequenzsignals erzeugt, während im elektrostatischen ''[[Kaufman-Ionenquelle|Kaufman-Triebwerk]]'' das Gas durch eine Gleichstromentladung ionisiert wird. Das ''HET-Triebwerk'' (engl. {{lang|en|''[[Hall-Effekt|Hall Effect]] Thruster''}}, [[Hallantrieb]]) ionisiert das Antriebsgas mit Elektronen, die auf einer Kreisbahn geführt werden. Ein [[Prototyp (Technik)|Prototyp]] eines RIT-Triebwerks arbeitete erstmals 1992 auf dem europäischen [[Satellit (Raumfahrt)|Satelliten]] [[EURECA]]. [[SMART-1]] war mit einem HET-Triebwerk ausgestattet.

Heutige Ionentriebwerke sind, aufgrund der nur begrenzt zur Verfügung stehenden elektrischen Energie, für zwei Hauptanwendungen geeignet:
* Marschtriebwerk für Interplanetarsonden zu den sonnennahen Planeten Venus und Merkur, da hier bei langen Schubzeiten noch Sonnenenergie genutzt werden kann.
* Bahnregelungstriebwerke für große Satelliten in hohen Erdumlaufbahnen, da hier die Störkräfte und damit die erforderlichen Korrektur-Impulse sehr gering sind.

=== Einsatz in der Raumfahrt ===
Die erste Raumsonde mit Ionenantrieb war die 1998 gestartete [[Deep Space 1]], die ein ''NSTAR'' Triebwerk hatte, das auf dem Kaufman-Typ beruht. Die zweite Sonde mit Ionenantrieb war [[Hayabusa (Raumsonde)|Hayabusa]], von JAXA gestartet im Jahr 2003. Das dritte Raumfahrzeug mit einem Ionenantrieb war die Sonde [[SMART-1]], die 2003 von der ESA gestartet wurde und mit Triebwerken vom Typ [[PPS 1350]] den Mond umkreiste. Stark auf Ionentriebwerke angewiesen waren die Missionen [[Dawn (Raumsonde)|Dawn]] von 2007 und [[Hayabusa 2]] von 2014 und seit 2018 [[BepiColombo]]. 

Der Testsatellit [[EURECA]] hatte 1992 ein experimentelles RIT-Ionentriebwerk RITA-10 von MBB/EADS an Bord. 2001 startete die [[ESA]] den Satelliten [[Artemis (Raumfahrt)|Artemis]], auf dem zwei neue Ionentriebwerkstypen testweise installiert sind, die sich in der Produktionsweise der Xenon-Ionen unterscheiden. Die letzten 5000&nbsp;km bis zur geplanten [[geostationär]]en [[Umlaufbahn]] legte der Satellit mit Hilfe des Ionentriebwerks ''RIT-10'' zurück, das ursprünglich nur zur Bahnkorrektur gedacht war, weil die Oberstufe seiner [[Ariane 5]] ihn in einen [[Satellitenorbit#Geotransferorbit (GTO)|Geotransfer-Orbit]] (GTO) mit zu niedrigem [[Apogäum]] brachte.

Inzwischen hat sich das Ionentriebwerk auf vielen kommerziellen [[Kommunikationssatellit]]en durchgesetzt. Dort dient es nicht als primärer Antrieb zum Erreichen der Umlaufbahn, sondern als Bahnregelungstriebwerk für die Nord-Süd-Drift, da der Satellit durch die Gravitationseinflüsse von Sonne und Mond im Jahr etwa 45 bis 50&nbsp;m/s an Geschwindigkeitsänderung ([[Delta v|Delta&nbsp;v]]) aufbringen muss. Der Einsatz von Ionentriebwerken zur Bahnregulierung erhöht die Betriebsdauer der Satelliten, denn es ist weniger Treibstoff erforderlich, da der spezifische Impuls höher ist als bei chemischen Triebwerken. Der europäische [[Alphabus]], der amerikanische [[Boeing 702]] und der chinesische [[Dong Fang Hong|DFH-5-Bus]] sind mit Ionentriebwerken ausgestattete [[Satellitenbus]]se.

Die vier Cubesats von [[NetSat]] verfügen über Ionenantriebe, somit können auch sehr kleine Satelliten einen Ionenantrieb verwenden.

{{Lückenhaft|Es fehlt jegliche Außenwahrnehmung durch Dritte, die die enzyklopädische Bedeutung der Fotec-Antriebe belegt. Bislang nur Selbstdarstellung mit Produktwerbung.}}
Das niederösterreichische Unternehmen Fotec hat einen Ionenantrieb auf Basis von [[Indium]] entwickelt, der schon bei mehr als 160 Satellitensteuerungen eingesetzt wurde.<ref> https://www.enpulsion.com/</ref> Die Indiumionen werden dabei durch eine Wolframnadel geleitet und konzentriert emittiert, wobei die elektrische Energie in der Stärke von 10 kV zur Ionisation und auch dem Aufbau des Magnetfeldes aus einem Solarsegel kommt.<ref>https://www.fotec.at/Home/AerospaceEngineering </ref> Der erstmalige Einsatz war 2017 bei einem Kleinsatelliten. Der Stand 2023 stärkste verfügbare Antrieb hat eine Kraft von 18&nbsp;mN bei 1&nbsp;kW elektrischer Antriebsenergie.<ref> https://www.enpulsion.com/order/nano-r3/ </ref>

=== Umsetzung in der Atmosphäre ===
Im November 2018 gelang es am [[Massachusetts Institute of Technology|MIT]] zum ersten Mal einen Flugkörper durch einen Ionenantrieb in der Atmosphäre zu bewegen.<ref name="MIT-Ionen" /> Hierzu wurde ein flugzeugartiger Körper mit einer Spannweite von 5 Meter konstruiert. Unter den Tragflächen befanden sich Elektroden, an die eine Spannung von +20&nbsp;[[Volt|kV]] angelegt wurde. An den Elektroden ionisierte der [[Stickstoff]] der Luft. Die Ionen wurden durch eine angelegte Spannung von −20&nbsp;kV an den Tragflächen beschleunigt. Die Flugdauer betrug 10&nbsp;Sekunden und überbrückte in einer Sporthalle rund 60&nbsp;Meter. Laut beteiligter Wissenschaftler wurde die Distanz allein durch die Größe der Halle limitiert.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.youtube.com/watch?v=boB6qu5dcCw&feature=youtu.be |titel=Ion drive: The first flight |werk=nature video ([[Youtube]]) |datum=2018-11-21 |abruf=2018-11-27}}</ref> Ein Personen- oder Gütertransport ist derzeit nicht möglich. Als mögliche Anwendungsgebiete nennen die Forscher z.&nbsp;B. leisere Drohnen.

== Weiterentwicklungen ==
* Einige Projekte zielen darauf ab, die Geschwindigkeit der Ionen zu erhöhen. Das [[Dual-Stage-4-Grid-Ionenantrieb|DS4G]] der ESA verwendet z.&nbsp;B. eine Beschleunigungsspannung von 30&nbsp;kV.
* Beim [[Magnetoplasmadynamischer Antrieb|magnetoplasmadynamischen Antrieb]] und dem verwandten [[Magnetoplasmadynamischer Antrieb#VASIMR|VASIMR]] versucht man dagegen, höhere Effizienz durch ein elektrisch erzeugtes [[Magnetismus|Magnetfeld]] zu erreichen.
* Der [[Magnetfeldoszillationsantrieb]] (engl. ''Magnetic Field Oscillating Amplified Thruster'' oder MOA) verwendet [[Alfvén-Welle]]n, ein physikalisches Prinzip der [[Magnetohydrodynamik]], wonach veränderliche Magnetfelder in elektrisch leitfähigen Medien wie Plasma [[Dichtewelle]]n erzeugen können, die Teilchen im Medium auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigen können.
* [[Bismut]] wird als Stützmasse untersucht, ebenso [[Iod]]<ref name="iod">{{Internetquelle |autor=Nadja Podbregar |url=https://www.scinexx.de/news/kosmos/erster-iod-antrieb-im-orbit/ |titel=Erster Iod-Antrieb im Orbit |werk=scinexx.de |datum=2021-11-18 |abruf=2021-11-20 |sprache=de}}</ref><ref>Dmytro Rafalskyi et al., ''In-orbit demonstration of an iodine electric propulsion system'', Nature 599, 411–415 (2021). [[doi:10.1038/s41586-021-04015-y]]</ref>.

== Siehe auch ==
* [[Lifter (Fluggerät)|Lifter]]
* [[Thermisches Lichtbogentriebwerk]] (Lichtbogenantrieb)
* [[Liste von Raumflugkörpern mit elektrischem Antrieb]]
* [[JIMO]]
* [[Hallantrieb]]

== Literatur ==
* [[Heinz Mielke (Publizist)|Heinz Mielke]]: ''Raumflugtechnik – eine Einführung''. Transpress VEB Verlag für Verkehrswesen, Berlin 1974.
* Dan M. Goebel et al.: ''Fundamentals of electric propulsion – Ion and Hall thrusters.'' Wiley, Hoboken 2008, ISBN 978-0-470-42927-3.
* ''Ionentriebwerke in der Raumfahrt.'' In: ''Flug Revue'', Nr. 6/2023, S. 74–77

== Weblinks ==
{{Commonscat|Ion propulsion|Ionenantrieb}}
{{Wiktionary}}
* Bernd Leiteberger: [https://www.bernd-leitenberger.de/elektrische-antriebe.shtml Elektrische Antriebe in der Raumfahrt]
* ESA: [https://www.esa.int/Space_in_Member_States/Austria/Ionen_treiben_SMART-1_zum_Mond Ionen treiben SMART-1 zum Mond]
* ESA: [https://www.esa.int/Space_in_Member_States/Austria/Ionentriebwerke_Der_Ritt_auf_geladenen_Teilchen Ionentriebwerke]
* Eric Lerner: {{Webarchiv |url=http://www.aip.org/tip/INPHFA/vol-6/iss-5/p16.pdf |text=''Plasma Propulsion in Space'' |wayback=20060822031538}} (englisch, PDF, 416&nbsp;KiB)
* Britanny Sauser: ''[https://www.heise.de/tr/artikel/Mit-Ionenkraft-zu-den-Sternen-276787.html Mit Ionenkraft zu den Sternen].'' [[MIT Technology Review]], August 2009
* {{Literatur |Autor=Davar Feili, Hans J. Leiter, Peter J. Klar und Bruno K. Meyer |Titel=Elektrisch durchs Weltall |TitelErg=Ionentriebwerke bieten vielfältige Möglichkeiten für die Raumfahrt. |Sammelwerk=[[Physik Journal]] |Band=11 |Nummer=03 |Datum=2012 |Seiten=39-44 |Online=https://www.pro-physik.de/restricted-files/94216 |Format=PDF |KBytes=}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Alternative Raumfahrtkonzepte]]
[[Kategorie:Antrieb nach Energiequelle]]
[[Kategorie:Raketentechnik]]