Ioonmootor

Ajalugu

Elektriliste veomootorite idee isa on Konstantin Tsiolkovski, kes avaldas selle aastal 1911. Seejuures esimene dokumenteeritud elektriliste veomootorite ülesmärkimine leidub Robert H. Goddardi käsitsi kirjutatud märkmetest kuupäevaga 6. september 1906.
Esimesi katsetusi ioonmootoritega teostas Goddard Clarki Ülikoolis aastatel 1916–1917. Tehnoloogiat soovitati kasutamiseks suurtel kõrgustel vaakumilähedases keskkonnas, kuid mootori tõukejõudu demonstreeriti ioniseeritud õhuvooludega atmosfäärirõhul.
Ideed mainiti taas Hermann Oberthi teoses "Wege zur Raumschiffahrt", mis ilmus 1923. aastal. Obnerth selgitas selles oma mõtteid massi kokkuhoiust elektriliste veomootoritega, ennustas selle kasutamist kosmoselaevade kiirendamisel ja asendi kontrollimisel ning pooldas laetud gaaside elektrostaatilist kiirendamist.

Halli efekti mootorid

Halli efektil töötavad mootorid (inglise Hall effect thrusters) kiirendavad ioone silindrilise anoodi ja katoodi moodustava plasma vahelise elektrivälja abil. 
Suurem osa gaasist (tavaliselt ksenoon) juhitakse anoodi lähedale, kus see ioniseerub ja suundub katoodi suunas. Katoodile suundudes ioonid kiirenevad ja neutraliseeruvad elektronidega kohtudes. Selle protsessi tulemusel moodustuvad suure kiirusega mootorist väljuvad neutraalsed osakesed.

Elektriline väljaemissioon tõukur

Elektriline väljaemissioon tõukur (inglise Field emission electric propulsion – FEEP) kasutab lihtsat süsteemi vedelmetallide ioonide kiirendamiseks. Süsteem koosneb väikesest kütuse reservuaarist vedelmetalliga, peenikesest torust ja torule järgnevast kiirendist. 
Enamik süsteeme kasutab metallidena tseesiumit või indiumi, kuna nende aatommassid on suured, neil on madal ionisatsioonipotentsiaal ja sulamistemperatuur. Kui vedelmetall jõuab toru lõppu, siis seal eksisteeriva tugeva elektrivälja tõttu vedeliku pind deformeerub ja sealt eraldub positiivne ioon. Osakese kiirenemine toimub elektrivälja toimel. Kosmoselaeva negatiivselt laadumise vältimiseks on vaja lisaelektronide allikat ioonivoo neutraliseerimiseks.

"Kütused"

Ioonmootorite valdkonnas mõistetakse kütuse all gaasi või metalli, mille aatomeid ja molekule ioniseeritakse ja kiirendatakse. Ionisaatsiooni energia moodustab väga suure osa mootorites kasutatavast energiast. Seetõttu on kütuse puhul oluline, et selle molekuli või aatomit oleks kerge ioniseerida ja selle massi/ionisatsiooni energia suhe oleks võimalikult suur. Lisaks ei tohiks kütus põhjustada mootori detailide olulist erosiooni ja saastada kosmosesõidukit.
Paljud praegused lahendused kasutavad kütusena ksenoon gaasi kuna seda on lihtne ioniseerida, ta omab suurt aatomi järjenumbrit – aatommassi, ta on inertne ja põhjustab vähe erosiooni. Samas, ksenoonivarusid maailmas napib ja see on väga kallis.
Vanemad lahendused kasutasid ka elavhõbedat, aga ta on toksiline ja kallis, saastab kosmoselaeva ja seda on raske mootorisse juhtida ja doseerida.
Kütusena kaalutakse ka teisi aineid, näiteks vismutit millega teostatud uurimistulemused on paljulubavad, eriti ilma võreta mootorite korral nagu Halli efekti ioonmootorid.
VASIMR tüüpi (ja teiste plasmapõhiste) mootoritega on teoreetiliselt võimalik kasutada praktiliselt iga ainet. Praeguste testide kõige praktilisem mootorikütus on argoon, mis on suhteliselt laialt levinud ja odav gaas.

Rakendused

Ioonmootorid omavad mitmeid rakendusi kosmoses liikumisel. Parimad rakendusvaldkonnad ioonmootoritele on pika elueaga missioonid, kus suurt kiiruse muutust ei ole vaja. Näiteks orbiidi korrigeerimine, atmosfääri hõõrde kompenseerimine Maa-lähedastel orbiitidel, raketikütuse transportimine hoidlatest ja asukoha ja asendi täppishäälestus teaduslike missioonide korral. Ioonmootoreid saab kasutada ka planeetidevahelistel ja "sügava kosmose" – päikesesüsteemiväliste missioonide korral, kus lennuaeg ei ole väga oluline.
Pidev tõukejõud võib väga pika aja jooksul põhjustada suurema kiiruse kogunemise kui tavalise raketimootori piiratud tööajaga.

Kõrgepinge ioontiivik

Ioontiivik koosneb kahest elektroodist. Üks elektroodidest on suure pindalaga fooliumplaat ja teine peenike traat. Elektroodidele rakendatakse kõrgepinge ca 16 kV, mille tulemusena tekib elektrituul peenema elektroodi poolt laiema elektroodi suunas.