Magnetoplasmadynamische Antriebe (Lorentzkraft)

norrock · Anmeldungsdatum: 16.09.2021 Beiträge: 5

Hallöchen,
ich bin vor Kurzem über Magnetoplasmadynamische (MPD) Raumfahrtantriebe gestoßen und fand die ziemlich faszinierend, sodass ich mich ein wenig dazu belesen habe. Dabei habe ich aber irgendwie ein kleines Verständnisproblem. So ein Triebwerk besteht grundsätzlich aus einem zylindrischen Plasmaentladungskanal. Entlang der Achse hat man eine Stabkathode und zieht dann quasi radial zu den Kanalwänden (Anode) einen Strom. Dafür benötigt man ein Gas, das ionisiert wird und dann quasi als elektrischer Leiter fungiert. Der radiale Strom erzeugt jetzt ein Magnetfeld in Umfangsrichtung. Radialer Strom und das Magnetfeld erzeugen die Lorentzkraft, die dafür sorgt, dass geladene Teilchen in axialer Richtung nach draußen beschleunigt werden. Ich hab jetzt irgendwie Probleme damit mir vorzustellen, wie die Teilchen genau beschleunigt werden. Weil die Elektronen, die radial fließen, müssen ja weiterhin radial fließen, damit die Entladung aufrechterhalten wird. Auf dem Weg zur Anode stoßionisieren sie dann das Gas. Aus welchem Grund sollten die Ionen dann nach außen beschleunigt werden? Ich glaub, ich hab ein generelles Verständnisproblem, was die Lorentzkraft angeht und wie sie auf die Teilchen wirkt. Ich hoffe, ihr versteht, wo mein Problem liegt.
Danke schon einmal für die Hilfe.

gast_free · Anmeldungsdatum: 15.07.2021 Beiträge: 195

Das Wirkungsprinzip entsteht aus der Lorenzkraft. Bewegte geladene Teilchen in einem Magnetfeld werden senkrecht zum Magnetfeld und senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung beschleunigt. Dies wird durch das vektorielle Kreuzprodukt beschrieben.

v: Geschwindigkeit
B: magnetischer Fluss
q: Ladung

Diese Kraft Fl zieht die geladenen Teilchen z.B. positiv geladene Wasserstoffionen aus dem Zylinder heraus in Richtung Düse. Es werden laufend neue Ionen in die Beschleunigungskammer geschickt, so das der Strom nicht unterbrochen wird und das Magnetfeld erhalten bleibt.

Die radiale Geschwindigkeit v der Ionen hängt von dem elektrischen Feld zwischen Kathode und Anode ab. Die axiale Beschleunigung von der radialen Gesschwindigkeit und der Stärke des Magnetfeldes. Dieses wird bei manchen Triebwerken extern zum eigentlichen Plasmafeld erzeugt. Sonst stammt es aus dem eigenen Plasmafeld und hängt ebenfalls von der radialen Geschwindigkeit und der gesamten Anzahl der Ionen in der "Brennkammer" ab.

Werden die Ionen stark genug in axiale Richtung Beschleunigt verlassen sie das Antriebsaggregat und das Raumschiff erfährt eine Impulsänderung die zu einer Antriebskraft führt.

norrock · Anmeldungsdatum: 16.09.2021 Beiträge: 5

Ok, vielen Dank schon einmal für deine Antwort. Ich hab nur irgendwie Probleme, mir den ganzen Ablauf vorzustellen. Ich stell mir halt vor, dass der Entladungsstrom hauptsächlich durch die Elektronen getragen wird, da die ja deutlich mobiler sind als die Ionen. Dass sich Elektronen dementsprechend radial bewegen leuchtet mir ein. Aber das Stützgas wird ja in axialer Richtung eingeleitet. Dann stoßen die Gasatome mit den Elektronen zusammen und werden ionisiert. Haben die Ionen dann nicht trotzdem noch eine größtenteils axiale initiale Geschwindigkeit? Weil die elektrischen Felder im Hauptplasma ja relativ gering sind (ein Großteil der Spannung fällt ja in der Nähe der Elektronenwände ab). Das würde doch aber dazu führen, dass die Ionen kaum durch das Magnetfeld in axiale Richtung beschleunigt werden können oder?

DrStupid · Anmeldungsdatum: 07.10.2009 Beiträge: 5042