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Ionischer Schub statt reaktiv

15.04.2013

Es ist möglich, dass es in naher Zukunft das erste Leichtflugzeug mit praktisch geräuschlosem und umweltfreundlichem Düsenantrieb gibt. Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) führten eine Reihe von Berechnungen und Experimenten durch und fanden heraus, dass atmosphärische Ionentriebwerke viel effizienter sein können als bisher angenommen.

Tatsächlich wurde das Phänomen des elektrohydrodynamischen Schubs oder einfach des Ionenwinds bereits 1960 entdeckt. Sein Wesen ist wie folgt: Wenn der Strom zwischen zwei Elektroden fließt, von denen eine dünner ist als die andere, entsteht ein Luftstrom. Wenn Sie genügend Spannung an die Leiter anlegen, können Sie einen sehr starken Luftstrahl erhalten, der ausreicht, um das Flugzeug in der Luft zu halten.

Leider war dieser zweifellos attraktive Triebwerkstyp lange Zeit ein Spiel für Ingenieure und Zauberkünstler, da es als nicht stark genug angesehen wurde, um einen "ernsthaften" Strahlantrieb zu erzeugen. Einige Wissenschaftler haben angedeutet, dass atmosphärische Ionenantriebsmotoren extrem ineffizient sind: Sie benötigen eine riesige Menge an Elektrizität bei nicht sehr hohem Schub.

Berechnungen und Experimente von MIT-Experten haben jedoch gezeigt, dass Ionentriebwerke unter bestimmten Bedingungen eine viel effizientere Schubquelle sein können als herkömmliche Strahltriebwerke. In ihren Experimenten fanden sie heraus, dass der ionische Wind bis zu 110 Newton Schub pro Kilowatt liefern konnte, verglichen mit 2 Newton pro Kilowatt bei einem herkömmlichen Düsentriebwerk. Somit wird der Ionenwind bei einigen Flugzeugtypen effektiv genutzt, hauptsächlich bei kleinen Leichtflugzeugen. Gleichzeitig sind Ionentriebwerke im Infrarotbereich nahezu geräuschlos und unsichtbar, da sie keine große Wärmemenge abgeben wie herkömmliche Strahltriebwerke.

Das MIT hat ein grundlegendes Design für ein effizientes Ionentriebwerk entwickelt. Der Aufbau der Ionenwinderzeugung besteht aus drei Teilen: einer sehr dünnen Kupferelektrode (Emitter), einem dicken Aluminiumrohr (Kollektor) und einem Luftspalt dazwischen. Die gesamte Struktur ist auf einem leichten Rahmen montiert, in dem Drähte verlegt sind, um den Kollektor und den Emitter mit der Stromversorgung zu verbinden. Beim Anlegen einer Spannung „zieht“ der Feldgradient Elektronen aus benachbarten Luftmolekülen und ionisierte Moleküle werden stark vom Emitter abgestoßen und vom Kollektor angezogen. In diesem Fall fängt die Ionenwolke die umgebenden neutralen Luftmoleküle ein und erzeugt Strahlschub.

Das Ionentriebwerk zeigte den höchsten Wirkungsgrad bei einer niedrigen Luftstrahlgeschwindigkeit. Mit anderen Worten, der ionische Wind wird besser verwendet, um große Luftmengen langsam zu bewegen, als kleine Volumen auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen. Das bedeutet, dass das Ionentriebwerk am besten bei langsamen Flugzeugen verwendet wird, bei denen die Lufteinlässe für den Ionenwind praktisch auf der gesamten Oberfläche angeordnet sind. Dies deutet sofort auf unbemannte Aufklärungsflugzeuge mit niedrigem Profil und großer Spannweite hin.

MIT-Berechnungen zeigen die Hochspannungsanforderungen eines Ionentriebwerks: Ein kleines Flugzeug würde eine Stromquelle benötigen, die Hunderte oder sogar Tausende Kilovolt liefern könnte. Die Spannungen müssen enorm sein, aber das MIT glaubt, dass sie aus ultraleichten Solarmodulen und Brennstoffzellen gewonnen werden können.

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