Tiangong verfügt bereits über Hall-Triebwerke, warum ist es also notwendig, chemischen Treibstoff dorthin zu transportieren?

Am 24. Juli 2022 um 14:22:22 Uhr wurde die Trägerrakete Langer Marsch 5B Yao-3 mit dem Wentian-Labormodul an Bord erfolgreich ins All gestartet.

Das Gesamtstartgewicht des Wentian-Labormoduls überstieg 23 Tonnen, wovon das Trockengewicht des gesamten Moduls etwa 21,5 Tonnen betrug und 1.550 Kilogramm Hydrazin-Treibstoff enthielt. Der sogenannte Hydrazinbrennstoff ist eigentlich das, was wir oft als unsymmetrisches Dimethylhydrazin und Stickstofftetroxid bezeichnen, beides chemische Brennstoffe. Dies wirft einige Fragen auf. Wie wir alle wissen, sind chemische Brennstoffe schwer, benötigen viel Platz und verursachen hohe Transportkosten. Sie sind keine idealen Energiequellen für die Luft- und Raumfahrt. Die Raumstation Tiangong verwendet elektrische LHT-100 Hall-Triebwerke, die das Element 54 Xenon als Treibstoff verwenden und überhaupt keinen chemischen Treibstoff benötigen. Warum sollte so viel chemischer Treibstoff zur Raumstation transportiert werden?

Was ist ein Hall-Thruster?

Der Hall-Antrieb ist eine Art elektrostatischer Antrieb. Zur Familie der Elektrotriebwerke gehören neben den elektrostatischen Triebwerken auch die elektromagnetischen Triebwerke und die elektrothermischen Triebwerke. Wie der Name schon sagt, macht sich der Hall-Antrieb den Hall-Effekt zunutze, der 1879 vom Physiker Hall entdeckt wurde. Einfach ausgedrückt: Wenn Strom senkrecht zum äußeren Magnetfeld durch einen Halbleiter fließt, wird ein zusätzliches elektrisches Feld senkrecht zum Strom und zum Magnetfeld erzeugt, wodurch an beiden Enden des Halbleiters eine Potenzialdifferenz entsteht. Der Hall-Antrieb besteht aus einem Gerät, das den Hall-Effekt erzeugen kann, und einer Elektronenquelle. Im Hall-Triebwerk bilden die von der Elektronenquelle emittierten Elektronen aufgrund des Hall-Effekts einen ringförmigen Elektronenstrahl, was dem Hall-Triebwerk ein ziemlich Science-Fiction-mäßiges Aussehen verleiht.

Wenn wir Xenongas in den Hall-Antrieb einspeisen, ionisieren die Hochgeschwindigkeitselektronen im kreisförmigen Elektronenstrahl das Xenongas. Die ionisierten Xenon-Ionen werden mit hoher Geschwindigkeit nach hinten ausgestoßen und erzeugen so Schub.

Hall-Triebwerke sehen sehr hochtechnologisch aus, aber wenn wir das Prinzip erst einmal verstanden haben, werden wir feststellen, dass es eigentlich keinen wesentlichen Unterschied zwischen Hall-Triebwerken und herkömmlichen chemischen Triebwerken gibt. Sie beide nutzen die Reaktionskraft, die durch das Zurückwerfen von Objekten entsteht, um sich vorwärts zu bewegen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass chemische Triebwerke Hochgeschwindigkeitsstrahlen ausstoßen, die durch die Verbrennung von chemischem Treibstoff erzeugt werden, während Hall-Triebwerke ionisierte Xenon-Ionen ausstoßen. Dies ist auch der Vorteil der Hall-Triebwerke, da sie nur Ionen ausstoßen, der Treibstoffverbrauch also äußerst gering ist und Elektrizität im Weltraum leicht verfügbar ist.

Wenn der Hall-Antrieb einen Nachteil hat, dann ist es der fehlende Schub.

Aktionskraft und Reaktionskraft sind gleich. Da nur wenige Ionen herausgeschleudert werden, ist der erzeugbare Schub naturgemäß nicht so groß, meist nur wenige Newton. Ein Schub von mehreren Newton kann auf der Erde grundsätzlich nichts bewegen, im Weltraum ist das anders. Im Weltraum gibt es keinen Widerstand, sodass nur ein geringer Schub erforderlich ist, um das Raumschiff in Bewegung zu versetzen. Daher ist es sehr gut geeignet, das Hall-Triebwerk in einem Raumfahrzeug zu installieren, und es besteht auch in Zukunft noch Entwicklungsspielraum. Vor nicht allzu langer Zeit erreichte der Einkanal-Hall-Antrieb HET-450 meines Landes bei Bodenversuchen einen Schub von 4,6 Newton. Da sich Hall-Triebwerke so gut für den Einbau in Raumfahrzeuge eignen und die Raumstation Tiangong tatsächlich Hall-Triebwerke verwendet, stellt sich die Frage, warum es notwendig ist, so viel chemischen Treibstoff dorthin zu transportieren?

Obwohl der Hall-Antrieb gut ist, ist er nicht allmächtig. Sein größter Nachteil besteht in der zu geringen Schubkraft, die ihn in manchen Sondersituationen etwas kraftlos erscheinen lässt.

Wie wir alle wissen, gibt es im Weltraum eine Menge Weltraummüll, und es ist wahrscheinlich, dass sich die Umlaufbahnen der Raumstation während ihres Betriebs mit denen dieses Weltraummülls überschneiden. Wenn dieser Weltraumschrott die Raumstation trifft, wird er ihr unermessliche Verluste zufügen. Zuvor wurde der Roboterarm der Internationalen Raumstation von einem sehr kleinen Weltraumschrott getroffen, der ein sehr deutliches Loch hinterließ. Obwohl Weltraummüll Angst macht, lässt sich seine Flugbahn im Voraus vorhersagen. Allerdings genügt es nicht, sie im Voraus vorherzusagen, wir müssen sie auch rechtzeitig vermeiden können. Der Schub des Hall-Triebwerks ist sehr gering. Wenn Weltraummüll etwa einen Monat im Voraus entdeckt wird, kann er vermieden werden. Wenn der Vorsprung jedoch nur wenige Tage beträgt, wird das Hall-Triebwerk nicht ausreichen und es muss auf chemische Treibstoffe zurückgegriffen werden.

Neben der Vermeidung von Weltraummüll werden auch beim Andocken an Raumfahrzeuge chemische Treibstoffe benötigt.

Es besteht ein Unterschied zwischen der Umlaufbahn des gestarteten Raumfahrzeugs und der Raumstation Tiangong. Um erfolgreich anzudocken, muss das Raumschiff seine Position schrittweise anpassen und die Raumstation einholen, was die Andockzeit erheblich verlängert. Wenn die Raumstation jedoch chemischen Treibstoff als Antrieb nutzt und ihre Lage und Position selbstständig anpasst, kann die Andockzeit erheblich verkürzt werden. Diese Art von Aufgabe, die eine schnelle Anpassung in kurzer Zeit erfordert, ist mit dem winzigen Schub des Hall-Triebwerks definitiv nicht möglich. Dies alles ist jedoch nur vorübergehend. Dank der kontinuierlichen Durchbrüche in der Technologie leistungsstarker Hall-Triebwerke könnten unsere Raumfahrzeuge in Zukunft möglicherweise vollständig auf chemische Treibstoffe verzichten.

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