Hall-ionimoottori
Hall-ionimoottori (engl. Hall-effect thruster, HET) on ionimoottorin tyyppi, jossa sähkökenttä kiihdyttää plasmaksi ionisoituneen ajoaineen. Hall-ionimoottorit perustuvat Edward Hallin löytämään Hall-ilmiöön (kutsutaan myös Hallin ilmiöksi). Hall-ionimoottoreissa käytetään magneettikenttää rajaamaan elektronien liikerataa ja ionisoimaan ajoaine. Ionisoitunut ajoaine kiihdytetään suureen nopeuteen ja poistuttuaan moottorista se neutralisoidaan.[1]
Hall-ionimoottoreissa käytettäviä yleisimpiä ajoaineita ovat xenon ja krypton. Muita käytettyjä kaasuja ovat argon, vismutti, jodi, magnesium, sinkki ja adamantaani.
Pakokaasujen poistumisnopeus Hall-ionimoottoreissa on 10-80 km/s. Poistuvien hiukkasten pienen massan vuoksi Hall-ionimoottorien työntövoimat ovat kuitenkin varsin pieniä. Tavallisesti puhutaan kymmenistä tai enintään sadoista millinewtoneista tehon ollessa muutaman kilowatin luokkaa. Kaikkien aikojen tehokkain Hall-ionimoottori on kyennyt saavuttamaan 5.4 N työntövoiman, kun sitä käytettiin 100 kW:n teholla.[2]
Yleisimmin Hall-ionimoottoreita käytetään korjaamaan avaruusaluksen asentoa tai muutamaan sen liikerataa. Joissain tapauksissa niitä käytetään myös luomaan etenemisliikettä, mutta pienen työntövoiman vuoksi se ei ole aina järkevintä.
Historia
Ionimoottorien ensimmäiset versiot kehitettiin samoihin aikoihin Yhdysvalloissa ja Venäjällä 1900-luvun alussa. Yhdysvalloissa sähköpropulsiotekniikalla toimivan moottorin keksi Robert Goddard, ja Venäjällä sen keksi Konstantin Tsilkovski.[3]
1940-luvulla alkanut kylmä sota ja sen seurauksena syntynyt Neuvostoliiton ja Yhdysvaltojen välinen avaruuskilpa käynnistivät molempien suurvaltojen avaruusohjelman, johon kuului myös olennaisena osana ionimoottoritekniikan kehitystyö. Neuvostoliitto alkoi kehittämään Hallin ilmiöön perustuvaa ionimoottoria eli Hall-ionimoottoria, kun samanaikaisesti Yhdysvallat kehittivät omaa verkkoionimoottoriaan.[3]
Neuvostoliitto ja Venäjä
Neuvostoliitossa on kehitetty kahdentyyppisiä Hall-ionimoottoreita:
- Kiinteä plasmamoottori (englanti: SPT Stationary plasma thruster; venäjä: СПД, стационарный плазменный двигатель), joka on erityisesti Neuvostoaikaan yleisimmin käytetty Hall-ionimoottorityyppi. Kiinteistä plasmamoottoreista on muodostunut tuoteperhe, joista käytetään lyhennettä SPT.
- Anodikerrosmoottori (englanti: TAL Thruster with Anode Layer; venäjä: ДАС, двигатель с анодным слоем), joka on Neuvostoliiton hajoamisen jälkeen suurempia kehitysaskeleita ottanut Hall-ionimoottorityyppi. Anodikerrosmoottorista käytetään lyhennettä DAS ja niiden mallimerkinnät ovat muotoa D-38, D50, jne.
Ensimmäiset Hall-ionimoottoreiden käytännön sovellukset nähtiin vuonna 1971, kun Neuvostoliitto käytti SPT-50 Hall-ionimoottoria Meteor-satelliitissaan. Neuvostoliitto ja Venäjä ovat laukaisseet yhteensä noin 200 Hall-ionimoottorilla varustettua avaruusalusta avaruuteen. Tällä hetkellä Hall-ionimoottoreita on laukaistu avaruuteen koko maapallolla noin 240 kappaletta. Niissä ei ole koskaan raportoitu yhtään vikaa.
Länsi
Kylmän sodan jälkeen Yhdysvallat lähetti Venäjälle oman ryhmänsä tutustumaan SPT-100 Hall-ionimoottoriin. Myöhemmin Yhdysvallat ovat hyödyntäneet omia muunnelmiaan SPT-100-moottorista omissa avaruusaluksissaan.
Euroopan avaruusjärjestö laukaisi ensimmäisenä länsimaisena toimijana Hall-ionimoottorilla varustetun avaruusaluksen vuonna 2003, kun SMART-1-satelliitti laukaistiin kuun kiertoradalle.
Nykyään länsimaisessa teknologiassa muun muassa SpaceX:n Starlink-satelliitit hyödyntävät Hall-ionimoottoreita.
Intia
Intian avaruustutkimusjärjestö on käyttänyt Hall-ionimoottoreita omissa avaruuteen laukaistuissa laitteissaan. Ensimmäisen kerran Intia käytti niitä vuonna 2010, kun se laukaisi GSAT-4-satelliitin maapallon kiertoradalle. Tämän jälkeen Intia on tehnyt muutamia laukaisuja ja kokeiluita liittyen Hall-ionimoottoreihin.[4]
Toimintaperiaate
Hall-ionimoottorin toimintaperiaate perustuu sen käyttämään sähköstaattiseen potentiaaliin, mikä kiihdyttää ioneja korkeisiin nopeuksiin. Elektroniplasmaa kiihdytetään moottorin avoimessa päässä negatiivisilla varauksilla. Aksiaalisen sähkökentän ja radiaalisen magneettikentän yhteistoiminta ohjaa elektroneja niiden liikkuessa akselin suuntaisesti, luoden näin Hall-virran. Tämä tapahtuu radiaalisen magneettikentän voimakkuuden ollessa noin 100-300 G (10-30 mT) välillä. Hall-virran elektronit ionisoivat suurimman osan polttoaineesta, joka tehostaa moottorin toimintaa. Vaikka työntövoima on suhteellisen pieni, moottori tuottaa suuren impulssin ja tällöin se voi toimia erilaisten polttoaineiden kanssa.
Polttoaineena Hall-ionimoottorissa käytetään ksenonia, kryptonia ja argonia. Polttoaine syötetään anodin läpi, jossa on paljon pieniä reikiä, ja joka toimii virranjakajana kaasulle. Kun neutraalit polttoaineen atomit hajaantuvat moottoriin, ne ionisoidaan yhteentörmäyksellä virtaavien korkeaenergisten elektronien kanssa. Tämän jälkeen ionit kiihdytetään elektronikentässä anodin ja katodin välillä mahdollistaen moottorin toiminnan.[5][6]
Käyttö ja sovellukset
Hall-ionimoottoreita käytetään laajalti satelliittien ohjauksessa ja kiertoradalla pitämisessä. Niitä hyödynnetään myös syvän avaruuden robotiikkalaitteissa.[7] Hall-ionimoottorit ovat toimivia käyttötarkoituksessaan, koska niiden tehoaluetta ja työntövoimaa voidaan säätää tarkasti, mikä on erityisen tärkeää kaupallisissa sovelluksissa. Niiden toimintavarmuus avaruuteen laukaistuissa laitteissa on ollut 100%.
NASA:n Psyche-asteroidilennolla käytetään xenonkaasulla toimivia Hall-ionimoottoreita. NASA:n ensimmäiset ihmiskuljetuksiin käytetyt Hall-ionimoottorit ovat yhdistelmä 6 kW:n moottoreita, jotka toimittaa Busek yhdessä NASA Advanced Electric Propulsion System (AEPS) kanssa. Niitä käytetään NASA:n Artemis-ohjelman puitteissa Maxarin Power and Propulsion Elementin (PPE) pääasiallisena liikuttajana. Hall-ionimoottorit toimivat hyvin avaruuden olosuhteissa, koska niillä on pitkä käyttöikä ja ne mahdollistavat tarkan ohjaamisen.[8]
Euroopan avaruusjärjestön SMART-1-satelliitissa hyödynnettiin aurinkosähkötyöntövoimaa Snecma PPS-1350-G Hall-ionimoottorin ohella. SMART-1 kiersi onnistuneesti kuuta, mikä osoitti Hall-ionimoottoritekniikan toimivuuden. PPS-1350-G oli ensimmäinen Hall-ionimoottori, joka toimi maapallon geosynkronisen kiertoradan ulkopuolella. Se käytti 13 kuukauden aikana 58,8 kg xenonkaasua ja sai sillä aikaan 2737 m/s muutosnopeuden.[9]
SpaceX:n Starlink -satelliiteissa on käytetty Hall-ionimoottoreita, ensin kryptonilla ja myöhemmin argonilla toimivia malleja. Hall-ionimoottoreita käytetään näissä satelliiteissa niiden ohjaukseen ja paikallaan pitämiseen.[10] Tiangong avaruusasemalla Hall-ionimoottoreita käytetään kiertoradan säätämiseen ja ohjaamiseen. Avaruusaseman Tianhe-ydinmoduuli liikkuu lisäksi myös kemiallisten turbiinien avulla.[11]
Lähteet
- ↑ Hofer, Richard R.: Development and Characterization of High-Efficiency, High-Specific Impulse Xenon Hall Thrusters 06-2004. Nasa.
- ↑ X3 – Nested Channel Hall Thruster | UM PEPL pepl.engin.umich.edu. Viitattu 29.4.2024. (englanniksi)
- ↑ a b Jere Koponen: 202004221511.pdf?sequence=1&isAllowed=y Ionimoottorit 04-2020. Oulun yliopisto.
- ↑ Express News Service: Minister Sivankutty takes up safety concerns over freight movement to Vizhinjam port, asks collector to submit report The New Indian Express. 21.3.2024. Viitattu 29.4.2024. (englanniksi)
- ↑ Hall-effect thruster. Wikipedia, 17.4.2024. Artikkelin verkkoversio. en
- ↑ Hall Effect Thrusters – Beyond NERVA beyondnerva.com. Viitattu 29.4.2024. (englanniksi)
- ↑ Hall Effect Thruster Technologies | T2 Portal technology.nasa.gov. Viitattu 29.4.2024.
- ↑ A Powerhouse in Deep Space: Gateway’s Power and Propulsion Element - NASA nasa.gov. 15.12.2022. Viitattu 29.4.2024. (englanniksi)
- ↑ Hall_effect_thruster www.chemeurope.com. Viitattu 29.4.2024.
- ↑ Starlink. Wikipedia, 27.4.2024. Artikkelin verkkoversio. en
- ↑ Tiangong space station. Wikipedia, 25.4.2024. Artikkelin verkkoversio. en