27 september 2022

BepiColombo’s ionenmotor ‘T6’ doorstaat eerste testen succesvol

De BepiColombo die op 20 oktober j.l. gelanceerd werd en nu op weg is naar Mercurius, is voorzien van een state-of-the art ionenstuwmotor, de T6. Het is de krachtigste ionenmotor die ooit gevlogen heeft en is ontwikkeld door QinetiQ, Airbus en Moog Bradford Engineering. Als onderdeel van BepiColombo’s ‘shakedown phase’ een soort proeffase, werden de motoren recentelijk een week lang ieder afzonderlijk intensief getest en met succes. 

BepiColombo credits; Airbus

De BepiColombo is een gezamenlijke Mercurius exploratie missie van ESA en JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency), en bestaat uit twee grote wetenschappelijke componenten: ESA’s  Mercury Planetary Orbiter (MPO) en JAXA’s  Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO). De door ESA gebouwde Mercury Transfer Module (MTM) zal de orbiters met zich meedragen op de zeven jaar durende reis door het zonnestelsel. Het hoofddoel van de MMO is het maken van een gedetailleerde studie van het magnetisch veld van Mercurius, alsook van de invloed van de zonnewind en van de chemische samenstelling van zijn exosfeer. De MPO zal zich meer focussen op de oppervlakte compositie en processen. Doel is te onderzoeken hoe dit interageren van de zon op de oppervlakte invloed heeft op datgene wat men aantreft in de exosfeer en hoe dit geheel varieert in tijd en locatie. Verder zal BepiColombo naar water, in de vorm van ijs, zoeken in gebieden die altijd in de schaduw staan. De schaduwgebieden zijn in tegenstelling tot de rest van de planeet erg koud. Met de verzamelde data zal  ESA/JAXA proberen meer te weten te komen over de geschiedenis van Mercurius en het ontstaan van planeten in het algemeen. In totaal zal de sonde een afstand afleggen van 9 miljard km om de planeet, die op een afstand van 240 miljoen km vanaf de aarde ligt, te kunnen bereiken. De ruimtesonde zal een aantal slingshot* manoeuvres uitvoeren waarbij er negen flybys om de aarde (1x), Venus (2x) en Mercurius (6x) zullen plaatsvinden opdat de sonde in de juiste baan om Mercurius gebracht kan worden.

BepiColombo modules credits; ESA youtube

Maar deze orbitale manoeuvres zijn niet voldoende om BepiColombo van de benodigde versnelling te voorzien en om voor die additionele broodnodige versnellingsboost te zorgen is de MTM, die de beide orbiters meedraagt, uitgerust met vier state-of-the-art ionenmotoren (zie cursief hieronder) ontwikkeld door een groot industrie consortium o.l.v. het Britse bedrijf QinetiQ Space. De motor, T6 genoemd, is de meest krachtige ionenstuwmotor die ooit gevlogen heeft. Daar de motor voor alle betrokkenen bij de missie zeer nieuw is om mee te werken, heeft mission control, bij ESA te Darmstadt, al snel na lancering de eerste motor ontstoken om te kijken hoe alles werkte. Dit werd gedaan op 20 november j.l. Tevreden over het resultaat werd drie uur later door mission control het commando gegeven om deze motor nogmaals voor vijf uur vol gas te laten accelereren, het genereerde toen een 125 mN (milliNewtons). Een week lang van intensief testen volgde en de testen waren succesvol volgens ESA’s telemetrie afdeling.

Ionenmotor T6 voor BC credits; New Atlas QinetiQ JPL

De T6 is gebaseerd op de T5-ionenstuwmotor van ESA’s ‘Gravity-field, steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE)-satelliet die vier jaar om de aarde cirkelde. Ieder van de vier afzonderlijke ionenstuwmotoren meet 22 cm in diameter, en zijn van het ‘4.5 kW Kaufman-type’ (zie cursief hieronder), xenon gas wordt als brandstof gebruikt. Elektrisch geladen ‘roosters’ of grids, die op hun beurt door zonnepanelen van energie worden voorzien, ioniseren en accelereren de xenon atomen totdat ze met een snelheid van 50 km per seconde uit de motor gestoten worden. De slimmigheid zit hem in het feit dat, i.t.t. hun chemische tegenhangers, deze motoren voor dagen of weken achtereen ontstoken kunnen blijven, waarbij ze enorme snelheden kunnen opbouwen. De stuwkracht is niet veel – slechts ongeveer 145 mN -maar wat de T6 mist in stuwvermogen wordt gecompenseerd door het feit dat de motor voor zeer lange tijd stuwvermogen kan leveren en zo toch de benodigde versnelling tot stand kan brengen. Elke ionenmotor heeft een specifieke impuls van ongeveer 4.000 seconden. Een specifieke impuls is de maat voor de bereikbare efficiëntie van een raket, lsp, gedefinieerd als het aantal seconden dat een motor met een kg stuwstof een kg stuwkracht kan genereren. De praktisch gezien best presterende raketmotoren verbranden vloeibare waterstof en zuurstof en halen daarmee een Isp van 450 seconden. Daarmee is de efficiëntie van de GIE motor bijna tien keer hoger dan die van de beste conventionele raketmotor, en kan daarmee de ruimtesonde met veel minder stuwstof dezelfde interplanetaire snelheid geven (of met dezelfde hoeveelheid stuwstof eenzelfde lading een veel hogere snelheid geven).

Dit houdt niet alleen in dat BepiColombo Mercurius kan bereiken, maar dat de ruimtesonde ook kleiner en lichter kan zijn (omdat het drijfgas tot 20 keer minder massief is), en het vaartuig met veel grotere precisie kan worden bestuurd. Bovendien is de T6 extreem robuust om te kunnen omgaan met lanceerdruk en trillingen en kan hij extreme temperaturen in de diepe ruimte aan. Volgens QinetiQ zijn slechts twee van de motoren nodig maar twee zijn backups.  Als onderdeel van BepiColombo’s shakedown phase**, werden alle vier de motoren een week lang ieder afzonderlijk intensief getest, en daarbij  gemonitord door de ESA grondstations. Daarom moest dit in de nabijheid van de aarde gebeuren. Vier van de motoren zijn inmiddels al een keer ontstoken, dat een kleine koerswijziging opleverde. Als de T6 uiteindelijk volledig operationeel is zullen de motoren ieder voor een week ontbranden met een pauze van acht uur om de ruimtesonde zijn koers correcties te laten uitvoeren. Als alles volgens schema verloopt zal de BepiColombo op 5 december 2025 in een baan om Mercurius komen.  “Om de motoren voor de eerste keer aan het werk te zien in de ruimte was een spannend moment alsook een opluchting,’ aldus Paolo Ferri, ESA’s operations managers, ‘BepiColombo’s zeven jaar trip naar Mercurius zal 22 motor ontstekingsperioden of ‘arcs’ bevatten en goed werkende stuwmotoren zijn een absolute must voor deze lange reis. Iedere afzonderlijke motor ontstekingsperiode zal  een bepaalde tijdspanne in beslag nemen met een maximale duur van twee maanden, waarbij dezelfde acceleratie tot stand wordt gebracht maar met minder brandstof dan een chemische raketmotor zou kunnen bewerkstelligen.’ Bronnen; New Atlas /  ESA / C. Bruno, Nuclear Power and Propulsion Systems, Springer, 2008.

Ionenmotor voor DeepSpace-1 credits; NASA

Gebruik van GIE

De gerasterde ionenmotor (gridded ionthruster of GIE) is een vorm van elektrische voortstuwing (Electric Propulsion System, EPS) voor ruimtevaartuigen. Het is een motor die zijn voortstuwingskracht produceert door ionen met hoge snelheid uit te stoten. In een ionenmotor wordt brandstof niet verbrand, maar geïoniseerd. De vrijkomende ionen passeren sterk elektrisch geladen roosters ‘grids’ en worden daardoor versneld. De kracht die de versnelling van de ionen veroorzaakt, zorgt voor een tegenovergestelde reactiekracht, dit is de voortstuwingskracht die de ionenmotor produceert. Als brandstof wordt xenon, maar vroeger ook wel kwik) gebruikt. De GIE  is o.a. ontworpen door NASA wetenschapper Harold Kaufman aan het Glenn Research Center, Het grootste verschil in de elektrostatische ionenstuwraketten is de methode van ionisatie van de drijfgasatomen – elektronenbombardement (NSTAR, NEXT, T5, T6), radiofrequentie (rf)-excitatie (RIT 10, RIT 22), microgolfexcitatie (Uf10). NASA’s Glenn Research Center bleef elektrostatische gerasterde ionenmotoren ontwikkelen door de jaren heen o.a. midden jaren ’80 met de ontwikkeling van de NASA’s Solar Technology Application Readiness (NSTAR) motor, die met succes gebruikt werd op de Deep Space 1 probe. De probe testte 12 nieuwe technologieën waaronder een geavanceerde ionenmotor voor de verlaging van kosten en risico’s bij missies in de toekomst. Het was de eerste interplanetaire missie met behulp van elektrische aandrijving als de primaire voortstuwing. De ionenmotor werd ook gebruikt bij de Dawn asteroïde missie (2007-2018), die inmiddels  sinds november dit jaar niet meer actief is. Hughes Aircraft Company  heeft de XIPS (Xenon Ion Propulsion System) ontwikkeld voor geostationaire satellieten. NASA is op dit moment bezig met de 20-50 kW elektrostatische ionenmotor genaamd HiPEP die hogere efficiëntie, specifieke impuls en een langere levensduur dan de NSTAR heeft. Begin jaren ’70, werden radio-frequentie ionenmotoren ontwikkeld aan de Universiteit van Giessen en de ArianeGroup. RIT-10 motoren dreven ESA’s EURECA en ARTEMIS satelliet aan. QinetiQ (UK) heeft de T5 en T6 motoren (Kaufman type; bij de GIE wordt de ionisatie-efficiëntie verbeterd door de toepassing van een magnetisch veld in de ontladingskamer. Een zwak divergerend axiaal veld wordt gebruikt in het geval van de Kaufman thruster) ontwikkeld, ondergebracht bij de GOCE Missie (T5) en bij de BepiColombo-missie (T6).

                                                                     Ionenmotor Kaufman type credits; N.Wallace JPL QinetiQ

*slingshotmanoeuvre of zwaartekrachtsslinger; is een techniek die het zwaartekrachtsveld van een bewegende naburige planeet gebruikt om de richting en de snelheid van een interplanetaire ruimtesonde te wijzigen en tijd en geld besparend werkt. Zonder deze techniek zouden missies naar de verste planeten van ons zonnestelsel te duur zijn of zelfs onmogelijk met de huidige stand van de techniek.

**shakedown fase; een periode van testen of een proefvaart die een schip, vliegtuig of ander vaartuig ondergaan hebben voordat ze operationeel worden verklaard.

Speak Your Mind

*

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: