Ioonmootor

Ioonmootor on kosmosetehnikas kasutatav mootor, mis tekitab tõukejõu väljapaisatud kiirendatud ioonide reaktiivjõuga. Ioonmootoreid liigitatakse nende tööpõhimõtte järgi elektrostaatilise ja elektromagnetilise jõu kasutamise alusel elektrostaatilisteks ja elektromagnetilisteks ioonmootoriteks. Elektrostaatilised ioonmootorid kasutavad ioonide kiirendamiseks osakestele elektriväljas mõjuvat Coulombi jõudu. Elektromagnetilised ioonmootorid kasutavad ioonide kiirendamiseks Lorentzi jõudu.

Ioonmootorite tekitatav tõukejõud on võrreldes tavapäraste raketimootoritega väga väike, kuid neil mootoritel on väga suur eriimpulss ja kasutatava kütuse efektiivsus. Suur kütuse efektiivsus saavutatakse väljapaisatavate osakeste kiirendamisega suurte kiirusteni. Mootorid kasutavad väga suurt elektrilist võimsust ja nende jõudlus on piiratud toiteallika elektrilise võimsusega (samal ajal kui keemilised raketimootorid on energeetiliselt piiratud). Piisavalt suure võimsusega mootorid võivad pika aja vältel väikest jõudu rakendades saavutada kokkuvõttes suuri kiirusi.

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.

Üldine kirjeldus
Ioonmootorid kasutavad tõukejõu tekitamiseks ioonide (elektriliselt laetud aatomid või molekulid) impulssi. Ioonide kiirendamise meetod on süsteemidel erinev, aga kõik nad võtavad arvesse ioonide laengu ja massi suhet. Laengu ja massi suhe näitab, et juba väike elektrivälja potentsiaali muutus võib põhjustada väga suuri osakeste väljapaiske kiirusi. See vähendab reaktsiooniks vajamineva kütuse massi, kuid suurendab vajalikku erivõimsust võrreldes keemiliste raketimootoritega. Ioonmootoritega on seetõttu võimalik saavutada väga kõrgeid eriimpulsi väärtusi. Nõrga tõukejõu puuduseks on väike kosmoselaeva kiirendus. Vooluallikate energiatootmise võimekus on üldiselt korrelatsioonis nende massiga, mistõttu suure võimsususega kaasneb tihti ka suur mass, mis omakorda nullib suure võimsuse tekitatud kiirenduse. Madal tõukejõud teeb ioonmootorid ebasobivaks kosmoselaevade orbiidile saatmiseks, samas on need ideaalsed kosmoses vajaminevateks manöövriteks.

On projekteeritud väga palju erinevad ioonmootoreid, kuid nad kõik on jagatavad kahte üldkategooriasse.
Mootorid liigitatakse kas elektrostaatilisteks või elektromagnetilisteks. Nende peamine erinevus on ioonide kiirendamise meetodis.

 Elektrostaatilised ioonmootoreid kasutavad Coulombi jõudu ja kiirendavad ioone elektriväljas.
 Elektromagnetilised ioonmootorid kasutavad Lorentzi jõudu, et kiirendada ioone.

Tavaliselt kasutatakse ioonmootorite toitmiseks päikesepaneele, kuid suurte kauguste puhul päikesesüsteemist ja päikesest kasutatakse tuumaenergiat. Mõlemal juhul on tippvõimsus piiratud ja võimsuse tõstmine tähendab ka vooluallika massi suurenemist, mis ei ole alati otstarbekas. Vaatamata piiratud võimsusele pakuvad mõlemad toiteallikad peaaegu piiramatult energiat ja seega ioonmootori pikka kasutusaega võrreldes kaasavõetud kütusega töötavate süsteemidega, mis lakkavad töötamast kütuse otsalõppemisel.

Elektrostaatilised ioonmootorid

Võrega elektrostaatilised ioonmootorid

Võrega elektrostaatilised ioonmootorid (inglise keeles Gridded electrostatic ion thrusters) kasutavad tavaliselt ksenooni, mis on väärisgaas. Gaas ei oma laengut ja see ioniseeritakse energeetiliste elektronide põrgetega. Neid elektrone on võimalik tekitada termoemissiooniga katoodilt ja kiirendada katoodi ja anoodi vahelises elektriväljas (Kaufmani tüüpi ioonmootorid).

Positiivse laenguga ioonid eraldatakse süsteemiga, mis koosneb kahest või enamast erineva avasuurusega võrest. Võrede piirkonda jõudes kiirendatakse ioone võredevahelise elektrivälja abil kuni nad saavutavad lõpliku energia umbes 1–2 keV.

Ioonmootorist väljuvad ainult positiivse laenguga ksenooni ioonid. Vältimaks kosmoselaeva laadumist negatiivse laenguga on mootori lähedale paigaldatud lisakatood, mis emiteerib elektrone. Ioonivooga vastasmärgilise laengu väljastamine tagab elektrilise neutraalsuse ja väldib seega ioonide voo tagasitõmbumist kosmoselaevale.

Mõned seda tehnoloogiat kasutavad mootorid:
NASA Solar electric propulsion Technology Application Readiness (NSTAR)
NASA’s Evolutionary Xenon Thruster (NEXT)
Nuclear Electric Xenon Ion System (NEXIS)
High Power Electric Propulsion (HiPEP)
EADS Radio-Frequency Ion Thruster (RIT)
Dual-Stage 4-Grid (DS4G)

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, mis 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. Ionisatsiooni 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 saastata kosmosesõidukit.

Paljud praegused lahendused kasutavad kütusena ksenooni, kuna seda on lihtne ioniseerida, ta omab suurt aatomi järjenumbrit – aatommassi, ta on inertne ja põhjustab vähe erosiooni. Samas, ksenoonivarusid maailmas napib ja see gaas on väga kallis.

Vanemad lahendused kasutasid ka elavhõbedat, aga see 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 ning 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.

Vaata ka
 Ioonallikas

Allikad

Välislingid
 NEXT ioonmootor püsitas uue kestvusrekord fyysika.ee, 29.12.2012

Kosmoseaparaadi täitursüsteemid
Mootorid