Als we denken aan ruimtevaart, hebben we de neiging om ons een enorme raket voor te stellen die van de aarde afstraalt, met enorme explosie van vuur en rook die uit de bodem komt, terwijl de enorme machine worstelt om aan de zwaartekracht van de aarde te ontsnappen. Maar zodra een ruimtevaartuig zijn zwaartekrachtsbinding met de aarde heeft verbroken, hebben we andere opties om ze van stroom te voorzien. Ionenvoortstuwing, waar in science fiction al lang van werd gedroomd, wordt nu gebruikt om sondes en ruimtevaartuigen op lange reizen door de ruimte te sturen.
NASA begon in de jaren vijftig voor het eerst onderzoek te doen naar ionenvoortstuwing. In 1998 werd ionen voortstuwing met succes gebruikt als de belangrijkste voortstuwing van een ruimtevaartuig, waarmee de Deep Space 1 (DS1) werd aangedreven tijdens zijn missie naar de asteroïde 9969 Braille en Comet Borrelly. DS1 is niet alleen ontworpen om een asteroïde en een komeet te bezoeken, maar ook om twaalf geavanceerde, risicovolle technologieën te testen, waaronder het ionenvoortstuwingssysteem zelf.
Ionenvoortstuwingssystemen genereren een kleine hoeveelheid stuwkracht. Houd negen kwartjes in je hand, voel hoe de zwaartekracht van de aarde eraan trekt en je hebt een idee hoe weinig stuwkracht ze genereren. Ze kunnen niet worden gebruikt om ruimtevaartuigen te lanceren vanaf lichamen met een sterke zwaartekracht. Hun kracht ligt in het blijven genereren van stuwkracht in de tijd. Dit betekent dat ze zeer hoge topsnelheden kunnen halen. Ionenstuwraketten kunnen ruimtevaartuigen voortstuwen met snelheden van meer dan 320.000 kp / h (200.000 mph), maar ze moeten lang in bedrijf zijn om die snelheid te bereiken.
Een ion is een atoom of een molecuul dat een elektron heeft verloren of gewonnen en daarom een elektrische lading heeft. Ionisatie is dus het proces waarbij een atoom of een molecuul een lading krijgt door elektronen toe te voegen of te verwijderen. Eenmaal opgeladen, wil een ion bewegen ten opzichte van een magnetisch veld. Dat is de kern van ionaandrijvingen. Maar bepaalde atomen zijn hiervoor beter geschikt. De ionenaandrijvingen van NASA gebruiken doorgaans xenon, een inert gas, omdat er geen explosiegevaar is.
In een ionaandrijving is het xenon geen brandstof. Het is niet verbrand en heeft geen inherente eigenschappen waardoor het nuttig is als brandstof. De energiebron voor een ionenaandrijving moet ergens anders vandaan komen. Deze bron kan elektriciteit zijn uit zonnecellen, of elektriciteit opgewekt uit vervalwarmte uit een nucleair materiaal.
Ionen worden gemaakt door het xenongas te bombarderen met hoogenergetische elektronen. Eenmaal opgeladen, worden deze ionen door hun lading door een paar elektrostatische roosters - lenzen genoemd - getrokken en uit de kamer verdreven, waarbij ze stuwkracht produceren. Deze ontlading wordt de ionenbundel genoemd en wordt opnieuw met elektronen ingespoten om de lading te neutraliseren. Hier is een korte video die laat zien hoe ionen drives werken:
In tegenstelling tot een traditionele chemische raket, waar de stuwkracht wordt beperkt door de hoeveelheid brandstof die hij kan vervoeren en verbranden, wordt de stuwkracht die wordt gegenereerd door een ionaandrijving alleen beperkt door de sterkte van zijn elektrische bron. De hoeveelheid stuwstof die een vaartuig kan vervoeren, in dit geval xenon, is een secundaire zorg. NASA's Dawn-ruimtevaartuig gebruikte slechts 10 gram xenon-drijfgas - dat is minder dan een blikje frisdrank - voor 27 uur gebruik.
In theorie is er geen limiet aan de kracht van de elektrische bron die de aandrijving aandrijft, en er wordt gewerkt aan de ontwikkeling van nog krachtigere ionen stuwraketten dan we momenteel hebben. In 2012 werkte NASA's Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) meer dan 43.000 uur op 7000w, in vergelijking met de ionenaandrijving op DS1 die slechts 2100w gebruikte. NEXT, en ontwerpen die het in de toekomst zullen overtreffen, zullen ruimtevaartuigen in staat stellen uitgebreide missies uit te voeren naar meerdere asteroïden, kometen, de buitenplaneten en hun manen.
Missies die ionenvoortstuwing gebruiken, zijn onder meer de Dawn-missie van NASA, de Japanse Hayabusa-missie naar de asteroïde 25143 Itokawa en de aanstaande ESA-missies Bepicolombo, die in 2017 naar Mercurius gaan, en LISA Pathfinder, die zwaartekrachtsgolven met lage frequenties zal bestuderen.
Met de constante verbetering in ionenvoortstuwingssystemen zal deze lijst alleen maar groeien.
