Hallantrieb

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Auswahl russischer Hallantriebe
US-amerikanischer Hallantrieb in Betrieb (Xenon)

Ein Hallantrieb oder auch Hall-Effekt-Antrieb (englisch Hall-Effect Thruster, Hall Thruster) ist ein Antrieb für Raumfahrzeuge, bei dem mittels elektrischem Feld positive Ionen auf Geschwindigkeiten zwischen 10 und 80 km/s beschleunigt werden. Der dadurch entstehende Impuls kann per Rückstoßprinzip zur Beschleunigung der Raumflugkörper genutzt werden. Als typische Stützmasse wird Xenon verwendet, aber andere Edelgase wie Krypton oder Argon eignen sich ebenfalls genauso wie Metalle wie Bismut, Magnesium oder Zink oder aber auch Iod. Der typische Leistungsbedarf liegt bei wenigen 100 bis 1.000 W, es wurden aber auch schon Triebwerke mit bis zu 100 kW erfolgreich am Boden getestet.

Aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit Ionenantrieben werden sie auch oft als Hallionentriebwerke bezeichnet, allerdings liegen beiden Triebwerksarten unterschiedliche physikalische Prozesse zu Grunde, die immer mehr eine Abgrenzung erfordern.

Geschichte[Bearbeiten]

Forschung und Entwicklung von Hallantrieben gehen zurück bis in die 1960er Jahre, vor allem in den USA und der ehemaligen Sowjetunion. Insbesondere dort konnte der Hallantrieb der Kaliningrader Firma FAKEL zur Flugreife gebracht und 1971 erstmals auf dem Satelliten METEOR erfolgreich eingesetzt werden. Seither wurden mehr als 50 Satelliten mit Antrieben der Firma FAKEL ausgerüstet. Die Entwicklung in den USA hingegen lief zu den verwandten Gitterionenantrieben.

Noch während des kalten Krieges, aber insbesondere nach der Öffnung des Eisernen Vorhangs, wurde die Technologie des Hallantriebs in die westliche Welt exportiert, und Entwicklungen in Frankreich (SNECMA) und Italien (Alta Space) sowie in den USA (Busek, Aerojet, JPL, NASA und der US Airforce Research Laboratories) schafften es teils bis zur Fluganwendung und kommerziellen Vermarktung. Mit SMART-1 wurde 2003 der erste europäische Hallantrieb (Snecma) für eine Flugmission erfolgreich eingesetzt. Der erste Testflug eines amerikanischen Hallantriebs (Busek) fand 2006 statt, die erste amerikanische Fluganwendung mit solch einem Antrieb (Aerojet) im Jahr 2010. Im deutschsprachigen Raum wird bisher nicht an Hallantrieben geforscht oder entwickelt.

Obwohl auch in Ostasien, insbesondere in Japan, seit den 1980er Jahren an Hallantrieben geforscht wird, hat bisher noch kein Antrieb die Anwendung im Weltall gefunden. Ein südkoreanischer Antrieb von Satrec soll auf dem Satelliten DubaiSat 2 2013 fliegen.

Aufbau und Klassifizierung[Bearbeiten]

In den Anfängen der Entwicklung von Hallantrieben in der Sowjetunion bildeten sich zwei verschiedene Untertypen aus, die von verschiedenen Forschungsgruppen untersucht und weiterentwickelt wurden. Diese unterscheiden sich insbesondere in Geometrie und verwendeten Materialien, beruhen aber etwa auf dem gleichen Wirkungsprinzip. Im Laufe der Geschichte erhielten beide Typen unterschiedliche Namen, so dass auch heutzutage unterschiedliche Namen den gleichen Typ bezeichnen.

Damit lassen sich Hallantriebe in die folgenden Unterarten weiter klassifizieren zu:

  • Antrieb mit breitem Beschleunigungskanal: engl. Stationary Plasma Thruster (SPT), russ. стационарный плазменный двигатель (СПД). Alternative Bezeichnungen sind engl. Propulsion Plasmique Stationaire (PPS) oder Magnetic-layer type (dt. Magnetschicht-Antrieb)
  • Antrieb mit engem Beschleunigungskanal: engl. Thruster with Anode Layer (TAL), russ. двигатель с анодным слоем (ДАС)
Querschnitt durch einen SPT-Hallantrieb

Beide Typen haben gemeinsam, dass sie aus einem ringförmigen Beschleunigungskanal bestehen, an dessen einem Ende eine Hohlanode angebracht ist (SPT), oder der von einer Hohlanode geformt wird (TAL). In SPT wird der Kanal durch eine Keramik (z. B. Bornitrid) geformt, und die Materialwahl ist entscheidend für die Lebensdauer des Triebwerkes. Auf die Anode wird das beschleunigende Spannungspotential gelegt. Der Kanal ist konzentrisch von einem Magnetsystem umgeben, das oft von Spulen gebildet wird, aber auch Permanentmagnete kommen gelegentlich zum Einsatz. Das resultierende Magnetfeld durchdringt den Kanal, und die Gestalt der Magnetfeldlinien ist charakteristisch und entscheidend für die Leistung des Triebwerks. Von einer außerhalb des ringförmigen Antriebs angebrachten Kathode werden Elektronen emittiert, die im Magnetfeld innerhalb der Anode „gefangen“ werden, da sie sich nicht mehr aus dem Feld bewegen können. Durch die Kombination von Magnetfeld und dem zwischen Anode und Kathode herrschenden elektrischen Feld kommt es aufgrund des Halleffekts zu einer Driftbewegung in azimutaler Richtung, die namensgebend für diese Triebwerke wurde.

Wird nun durch die Anode die Stützmasse, meist Xenon, zugeführt, so kollidieren die Atome mit den gefangenen Elektronen und es kommt zur Stoßionisation. Die gebildeten Ionen werden sofort vom elektrischen Feld erfasst, beschleunigt und aus dem Kanal des Antriebs ausgestoßen, wodurch der Schub des Triebwerks erreicht wird. Da die Masse der Ionen viel größer ist als die der Elektronen, hat das Magnetfeld viel weniger Einfluss, so dass die Ionen ungehindert den Kanal passieren können.

Der erreichte Schub liegt in der Größenordnung von 10 bis 100 mN, also vergleichsweise groß für ein elektrisches Triebwerk. Durch die langjährige Optimierung sind Flugmodelle mit Schubwirkungsgraden über 50 % erreicht worden, weshalb eine Anwendung dieser Triebwerke so attraktiv ist. In Experimentalmodellen wurden schon Wirkungsgrade bis zu 75 % realisiert.

Weblinks[Bearbeiten]