Ioonmootor: erinevus redaktsioonide vahel

[[Pilt:Ion Engine Test Firing - GPN-2000-000482.jpg|thumb300px|right|300pxpisi|NASA 2.3 kW NSTAR ioonmootori testimine [[Deep Space 1]] kosmosesüstiku küljes 'Jet Propulsion' laboratooriumis]]

'''Ioonmootor''' on kosmosetehnikas kasutatav [[mootor]], mille [[tõukejõud]] tekitatakse väljapaisatud kiirendatud [[ioon]]ide [[reaktiivjõud|reaktiivjõu]] poolt. Ioonmootoreid liigitatakse nende tööpõhimõtte järgi [[elektrostaatika|elektrostaatilise]] ja [[elektromagnetism|elektromagnetilise]] jõu kasutamise alusel elektrostaatilisteks ja elektromagnetilisteks ioonmootoriteks. Elektrostaatilised ioonmootorid kasutavad ioonide kiirendamiseks osakestele [[elektriväli|elektriväljas]] mõjuvat [[Coulombi seadus|Coulombi jõudu]]. Elektromagnetilised ioonmootorid kasutavad ioonide kiirendamiseks [[Lorenzi jõud]]u.

Ioonmootorite tekitatav tõukejõud on võrreldes tavapäraste raketimootoritega[[raketimootor]]itega väga väike, kuid nendelneil mootoritel on väga suur [[eriimpulss]] ja kasutatava kütuse [[efektiivsus]]. Suur kütuse efektiivsus saavutatakse väljapaisatavate osakeste suurte kiirusteni [[kiirendamine|kiirendamisega]]. Mootorid kasutavad väga suurt elektrilist [[võimsus]]t ja nende jõudlus on piiratud toiteallika elektrilise võimusega (samal ajal kui keemilised raketimootorid on energeetiliselt piiratud).<ref>[http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=34201&fbodylongid=1535 Electric Spacecraft Propulsion, Electric versus Chemical Propulsion], ESA Science & Technology</ref> Piisavalt suure võimsusega mootorid võivad pika aja vältel väikest jõudu rakendades saavutada kokkuvõttes suuri kiiruseid.

Esimesi katsetusi ioonmootoritega teostas Goddard [[Clarki Ülikool]]is aastatel 1916 – 1917.<ref>[http://siarchives.si.edu/history/exhibits/documents/goddardmarch1920.htm Robert H. Goddard - American Rocket Pioneer]</ref> Tehnoloogiat soovitatati kasutamiseks suurtel kõrgustel vaakumilähedases[[vaakum]]ilähedases keskkonnas, kuid mootori tõukejõudu demonstreeriti ioniseeritud õhuvooludega atmosfäärirõhul.

Ioonmootorid kasutavad tõukejõu tekitamiseks [[ioon]]ide (elektriliselt laetud [[aatom]]id või [[molekul]]id) [[impulss]]i. Ioonide kiirendamise meetod on süsteemidel erinev, aga kõik neednad võtavad arvesse ioonide laengu ja massi suhet. [[laengu ja massi suhe|Laengu ja massi suhe]] näitab, et juba väike [[potentsiaal|elektrivälja potentsiaali]] muutus võib põhjustada väga suuri osakeste väljapaiske kiirusi. See vähendab reaktsiooniks vajamineva kütuse massi, kuid suurendab vajalikku [[erivõimsus]]t võrreldes keemiliste raketimootoritega. Ioonmootoritega on seetõttu võimalik saavutada väga kõrgeid [[eriimpulss|eriimpulsi]] väärtusi. Nõrga tõukejõu puuduseks on väike kosmoselaeva [[kiirendus]],. vooluallikateVooluallikate energiatootmise võimekus on üldiselt korrelatsioonis[[korrelatsioon]]is nende massiga, mistõttu suure võimususega kaasneb tihti ka suur mass, mis omakorda nullib suure võimsuse tekitatud kiirenduse. Madal tõukejõud teeb ioonmootorid ebasobivaks kosmoselaevade [[orbiit|orbiidile]] saatmiseks, samas on need ideaalsed kosmoses vajaminevateks manöövriteks.

On projekteeritud väga palju erinevad ioonmootoreid ja nad kõik on jagatavad kahte üldisesse kategooriasseüldkategooriasse.

Mootoreid liigitatakse kas '''elektrostaatilisteks''' või '''elektromagnetilisteks'''. Nende peamine erinevus on ioonide kiirendamiseskiirendamise meetodis.

Tavaliselt kasutatakse ioonmootorite toitmiseks [[päikesepaneel]]e, kuid suurte kauguste puhul [[päikesesüsteem]]ist ja [[päike]]sest kasutatakse [[tuumaenergia]]t. 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 [[energia]]t ja seega ioonmootori pikka kasutusigakasutusaega võrreldes kaasavõetud kütusega töötavate süsteemidega, mis lakkavad töötamast kütuse otsalõppemisel.

[[ImagePilt:Ion engine.svg|thumb300px|right|350pxpisi|Diagramm võrega ioonmootori kohta]]

Võrega elektrostaatilised ioonmootorid (ingl. k. '''''Gridded electrostatic ion thrusters''''') kasutavad tavaliselt [[ksenoon]] gaasi. Gaas ei oma laengut ja see [[ionisatsioon|ioniseeritakse]] energeetiliste elektronide põrgetega. Neid elektrone on võimalik tekitada [[termoemissioon]]iga katoodilt[[katood]]ilt ja kiirendada katoodi ja anoodi[[anood]]i vahelises elektriväljas (Kaufmani tüüpi ioonmootorid).

Ioonmootorist väljuvad ainult positiivse laenguga ksenooni ioonid. Et vältida kosmoselaeva laadumist negatiivse laenguga on mootori lähedale paigaldatud lisakatood, mis emiteerib elektroodeelektrone. Ioonivooga vastasmärgilise laengu väljastamine tagab elektrilise neutraalsuse ja väldib seega ioonide voo tagasitõmbumist kosmoselaevale.<ref name="Glenn">{{cite web |url=http://www.nasa.gov/centers/glenn/about/fs08grc.html|title=Innovative Engines - Glenn Ion Propulsion Research Tames the Challenges of 21st Century Space Travel|accessdate=2007-11-19}}</ref>

[[ImagePilt:Wfm hall thruster.svg|300px|thumbpisi|Halli ioonmootori skeem]]

Enamik süsteeme kasutab metallidena [[tseesium]]it või [[indium]]i, kuna nende aatommassid on suured, neil on madal ionisatsiooni potentsiaalionisatsioonipotentsiaal ja [[sulamistemperatuur]]. Kui vedelmetall jõuab toru lõppu, siis seal eksisteeriva tugeva elektrivälja tõttu vedeliku pind deformeerub ja sealt eraldub positiivne ioon.<ref name="Nasa">{{cite web |url=http://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/11649/1/02-0194.pdf|title=In-FEEP Thruster Ion Beam Neutralization with Thermionic and Field Emission Cathodes|quote=liquid state and wicked up the needle shank to the tip where high electric fields deform the liquid and extract ions and accelerate them up to 130 km/s through 10 kV.|accessdate=2007-11-21|author=Colleen Marrese-Reading, Jay Polk, Juergen Mueller, Al Owens}}</ref> Osakese kiirenemine toimub elektrivälja tõttutoimel. Kosmoselaeva negatiivselt laadumise vältimiseks on vaja lisa elektronidelisaelektronide allikat ioonivoo neutraliseerimiseks.<ref name="Nasa"/><ref>{{cite web |url=http://www.centrospazio.cpr.it/FEEPPrinciple.html|title=The FEEP Principle|accessdate=2007-11-21|author=Marcuccio, S.}}</ref>

[[VASIMR]] tüüpi (ja teiste plasmapõhiste[[plasma]]põhiste) mootoritega on teoreetiliselt võimalik kasutada praktiliselt iga ainet. Praeguste testide kõige praktilisem mootorikütus on [[argoon]], mis on suhteliselt laialt levinud ja odav gaas.

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 madala [[orbiit|orbiidiga]] lendudel ('Low Earth Orbit - [[LEO]]'), raketikütuse transportimine hoidlatest ja asukoha ja asendi täppishäälestus teaduslike missioonide korral. Ioonmootoreid saab kasutada ka planeetidevahelistel ja "sügava kosmose" - päikesesüsteemiväliste missioonimissioonide korral, kus aeglennuaeg ei ole väga oluline.

Pidev tõukejõud võib väga pika aja jooksul põhjustada suurema kiiruse kogunemise, kui tavalise raketimootori piiratud töövõimetööajaga.<ref name="Oleson">{{cite web |url=http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/2001/TM-2001-210676.pdf|title=Advanced Hall Electric Propulsion for Future In-Space Transportation|accessdate=2007-11-21|author=Oleson, S. R., & Sankovic, J. M.}}</ref><ref name="Sankaran">{{cite web |url=http://alfven.princeton.edu/papers/Astrodyn-Finalabstext.htm|title=A Survey of Propulsion Options for Cargo and Piloted Missions to Mars|accessdate=2007-11-21|author=K. Sankaran, L. Cassady, A.D. Kodys and E.Y. Choueiri}}</ref>