Wenn Sie im Weltraum fliegen wollen, benötigen Sie eine Art Antriebssystem. Eine neue Schubtechnologie namens Helicon Double Layer Thruster könnte mit ihrem Kraftstoff noch effizienter sein. Dr. Christine Charles von der Australian National University in Canberra ist die Erfinderin.
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Fraser: Können Sie mir Hintergrundinformationen zu der von Ihnen erfundenen Schubtechnologie geben?
Dr. Christine Charles: Okay, dieses Triebwerk heißt HDLT und steht für Helicon Double Layer Thruster. Es ist eine neue Art der Anwendung von Plasma-Triebwerken in der Raumfahrt. Hintergrund ist unser Know-how in den Bereichen Plasmatechnologien, Weltraumplasma, Plasmabearbeitung zur Behandlung von Oberflächen und einer Vielzahl anderer Anwendungen.
Fraser: Der heutzutage beliebteste Motor der Weltraumforschung ist der Ionen-Motor, der als sparsamer Motor eine recht gute Leistung gezeigt hat. In welcher Beziehung steht der Motor, an dem Sie arbeiten, zu einem Ionenmotor? Können Sie den Menschen einen Kontext geben?
Dr. Charles: Ja, es gibt einige gemeinsame Aspekte und einige sehr unterschiedliche Aspekte. Zunächst wurde der Ionenmotor in den letzten 50 Jahren - ich weiß nicht - erfolgreich entwickelt. Es ist jetzt ziemlich gut entwickelt. Das HD-Triebwerk hat jedoch einige interessante Vorteile. Erstens werden keine Elektroden verwendet. In der Ionen-Engine haben Sie also eine Reihe von Gittern, um das Ion zu beschleunigen. Da unser Triebwerk keine Elektroden hat, haben wir einen neuen Beschleunigungsmechanismus, den wir Doppelschicht nennen. Deshalb nennen wir es HDLT: Helicon Double Layer Thruster. Es hat keine Elektroden, was bedeutet, dass es eine lange Lebensdauer hat, da Sie keine Elektrodenerosion haben. Und ein zweiter, wirklich wichtiger Aspekt ist, dass Geräte wie Ionenmotoren Ionen emittieren. Sie benötigen also eine externe Elektronenquelle, um diese Ionen zu neutralisieren. Dies geschieht im Allgemeinen durch ein zweites Gerät an der Seite des Triebwerks, das als Hohlkathodengerät bezeichnet wird. Tatsächlich haben Sie zwei Geräte an einem Ionenmotor. Und oft, weil sie befürchten, dass diese Hohlkathodenvorrichtungen ausfallen könnten, setzen sie zwei davon ein, um die Lebensdauer zu verlängern. Aber in der HDLT emittieren wir tatsächlich ein Plasma, das an sich einen Überschallionenstrahl enthält. Wir haben also den Überschallionenstrahl, der die Hauptschubquelle beim Austritt aus dem Triebwerk darstellt, aber wir haben auch das Plasma, das gerade genug Elektronen emittiert, um den Strahl zu neutralisieren. Wir brauchen also kein externes Gerät, das der Neutralisator ist. Das ist sehr gut, weil es Sicherheit und Einfachheit bieten kann - es gibt keine beweglichen Teile - und das HDLT für sehr tiefe Raumfahrten sehr attraktiv macht. lange Lebensdauer. Ein weiterer Vorteil ist, dass wir, da wir ein zweites Konzept namens Helikonplasma verwenden, eine sehr effiziente Methode zur Übertragung von Elektrizität in die geladenen Teilchen im Plasma darstellen. Das heißt, wir können mit vielen Ionen wirklich dichte Plasmen bekommen und die Leistung steigern. Wir können also wahrscheinlich bis zu 100 Kilowatt erreichen. Dies wurde hier in einem Prototyp noch nicht durchgeführt, da unser erster Prototyp nur 1 Kilowatt war. Andere Experimente haben jedoch gezeigt, dass wir mit unserer Art von Plasma die Leistung wirklich steigern können, und um dies mit einem Ionenmotor zu erreichen, ist die Hauptsache, dass Sie, wenn Sie über ein paar Kilowatt hinausgehen, eine Gruppe von haben müssen Triebwerke.
Ich würde also sagen, dass es für das HDLT noch sehr früh ist, aber die Hauptvorteile sind eine längere Lebensdauer, Einfachheit, Skalierbarkeit und Sicherheit. Und es ist auch ziemlich sparsam, was sehr gut ist.
Fraser: In Bezug auf die Leistung können Ionenmotoren den Schub des Gewichts eines Stücks Papier herausnehmen, aber sie können dies jahrelang tun und Schub aufbauen. Sie sagen, Sie könnten mehr Schub machen?
Dr. Charles: Im Moment sind Ionenmotoren definitiv die besten in Bezug auf Schub, für Kilowatt, im Moment. Und der HDLT-Prototyp, der nur ein Konzept ist und unter 1 Kilowatt liegt, entspricht nicht dem Schub. Wenn Sie das Beispiel eines Ionenmotors nehmen, hat er normalerweise 100 Milli-Newton für ein Kilowatt. Wir sprechen momentan wahrscheinlich 3-5 Mal weniger, aber Sie müssen sehen, dass wir uns seit 20 Jahren nicht mehr weiterentwickelt haben. Es ist noch früh, und wir können die Technologie sicherlich verbessern.
Fraser: Und dann, wie ich jetzt verstehe, hat die Europäische Weltraumorganisation die Technologie aufgegriffen und führt einige interne Tests durch. Und wie ist das für sie gelaufen?
Dr. Charles: Okay, sie hatten ein paar Projekte. Das erste ist, dass wir in Australien ein Stipendium von einer Finanzierungsagentur erhalten haben, und das war zwischen 2004 und 2005. Und wir haben den ersten HDLT-Prototyp entworfen und hergestellt, den wir letzten April zur ESA gebracht und einen Monat lang getestet haben. Wir hatten nur begrenzte Mittel, sodass wir sie nicht länger als einen Monat testen konnten. Und dies zeigte, dass alle Aspekte des Triebwerks perfekt funktionierten. Aber wir haben alle Kräfte getestet, die wir konnten, und wir hatten unterschiedliche Gasdrücke usw. Wir hatten nicht die Diagnose, die wir zur Messung des Schubes benötigten, also wussten wir nicht, was der tatsächliche Schub war. Der Schub, den wir haben, können wir mit dem Ionenstrahl in Australien messen - er muss noch getan werden. Und es basiert auf diesem sehr neuen Konzept der Doppelschicht, von dem wir die Leute überzeugen mussten. Und die ESA fand das wirklich interessant, deshalb hatten sie beschlossen, eine unabhängige Studie durchzuführen, um den Doppelschichteffekt zu validieren. Es ist das Grundkonzept hinter dem Triebwerk. der Beschleunigungsmechanismus. Jetzt müssen wir wirklich sehen, worum es geht.
Was ist eine Doppelschicht? Sie können sich vorstellen, es ist wie ein Fluss und plötzlich fällt das Flussbett herunter, so dass ein Wasserfall entsteht. Dann haben Sie diese Ionen, die in diesen Wasserfall fallen, beschleunigt werden und dann mit einer großen Abgasgeschwindigkeit mit der Rakete verbunden werden. Die Doppelschicht ist also ein potentieller Abfall im Plasma. Sehr interessant ist, dass wir im HDLT keine Elektroden haben. Das Plasma entscheidet sich einfach dafür, indem es ein bestimmtes Magnetfeld verwendet, bei dem es sich um eine Magnetflasche oder -düse handelt. Und das ist alles. Es ist also so, als hätte man den Wasserfall, ohne das Wasser durchzupumpen. Das ist also das Grundkonzept.
Daher hatte die ESA diese unabhängige Studie, um das Konzept der Doppelschicht zu validieren. Haben Sie die neueste Pressemitteilung gesehen?
Fraser: Ja, das habe ich.
Dr. Charles: Es gab also diese neueste Studie von Australien. Wir haben den ersten Prototyp und haben einige Aspekte demonstriert. Der Schub wurde jedoch noch nicht in einer Weltraumsimulationskammer gemessen. Und die ESA hat auch das Konzept hinter dem Triebwerk validiert, bei dem es sich um dieses Doppelschichtkonzept handelt. Hier sind wir also gerade.
Fraser: Also, für welche Art von Missionen wäre das HDLT-Triebwerk Ihrer Meinung nach besser geeignet?
Dr. Charles: Es muss für wirklich langfristige Missionen sein, bei denen Sie gezwungen sind, langsam, aber für eine lange Zeit zu gehen. Und es hat auch diesen schönen Sicherheitsaspekt. Es hat das Potenzial, für bemannte Raumflüge eingesetzt zu werden. Es ist also wirklich für Weltraummissionen oder zum Mars ... solche Dinge.
Fraser: Ich verstehe. Ich denke, einer der Hauptvorteile hier ist, dass es weniger bewegliche Teile hat - Teile, die kaputt gehen könnten.
Dr. Charles: Und es kann an Leistung gewonnen werden, was ebenfalls wichtig ist. Die NASA hat simuliert, welche Art von Energie Sie benötigen würden, um Menschen zum Mars zu schicken, und sie liegt im Megawattbereich. Sie müssen also die Macht haben. Sie müssen auch in der Lage sein, Ihre Triebwerke zu vergrößern. Sie müssen in der Lage sein, unter großer Leistung zu arbeiten, um die Arbeit zu erledigen. Die NASA hat gezeigt, dass Sie mit einem geeigneten Plasma-Triebwerk oder einer Plasma-Rakete die Zeit bis zum Mars verkürzen können, denn wenn Sie die Plasmatechnologie verwenden, können Sie geodätische Flugbahnen verwenden. Wenn Sie einen chemischen Antrieb verwenden, haben Sie eher eine ballistische Flugbahn. So können Sie beispielsweise die Zeitreise zum Mars verkürzen.
Fraser: Also, was sind die nächsten Schritte für Ihre Forschung?
Dr. Charles: Nun, wir machen verschiedene Dinge parallel. Wir arbeiten immer noch sehr stark an der Doppelschicht selbst, da dies eine sehr schöne Art von Physik ist, die alle möglichen anderen Anwendungen für die Aurora, die Beschleunigung des Sonnenwinds usw. hat. Wir haben hier auch eine neue Weltraumsimulationskammer Australian National University. Und wir haben den Prototyp, der von der ESA zurück ist, in diese Weltraumsimulationskammer eingebaut. Und wir werden versuchen, das Schubgleichgewicht und andere Methoden zu messen, wahrscheinlich ab Januar 2006. Und es könnten andere Neuigkeiten passieren, ich weiß nicht. Wir werden sehen, wie es geht. Wir werden uns auf jeden Fall viel Mühe geben. Es ist sehr faszinierend, weil viele Menschen am Ergebnis interessiert sind.
HDLT Thruster Informationen von ANU
