Füüsika õpetaja raamat Füüsika õpetaja raamat : (Kui suure kiirenduse annab kosmoselaevale ioonmootor?)

Kui suure kiirenduse annab kosmoselaevale ioonmootor?

Elektrostaatilise kiirendamisega ioonmootor.

Raketiteadus näeb üldiselt ette kosmoselaevade kiirendamise põlemisel saadud gaasijoaga. Põlemisgaaside juga paiskub düüsidest välja ja impulsi jäävuse seaduse järgi kiirendab kogu ülejäänud rakett vastassuunas. Ioonmootor kiirendab kosmosetehnikat sarnaselt, aga kiire gaasjuga tekitatakse seal elektri või magnetjõuga (Coulomb'i või Lorentzi jõuga).

Ioonmootori eeliseks on väga kiire gaasijuga (20-50 m/s), aga sellest saadav jõud on siiski väike. Nii sobibki ioonmootor kosmosereisideks, kus peab kütust pikal teel kokku hoidma, aga on aega kiirust koguda. Päris mõistlik on kasutada ioonmootoreid satelliitidel, kus on vaja aeg-ajalt teha pisikesi liigutusi asendi või suuna hoidmiseks.

Ioonmootorite rekordit hoiab kosmosesond „Dawn”, mis suutis koguda kiiruseks üle 10 km/s. Mootori veojõud oli vaid 90mN ja kogu seadme mass algselt 1240kg. Nii võib kiirenduseks Newtoni teisest seadusest arvutada:

F=ma ⇒ a = F/m = 0,09N/1240kg = 7,3·10-5 m/s2 =
0,95  km/h2

Ioonmootorite kiirusrekordi (v=10000m/s) saavutamiseks sellise kiirendusega kuluks (v0=0):

a= v-v0/t ⇒ t= v/a =10000/0,000073 = 1,37·108 s =
4 aastat ja 4 kuud

Kosmoselaev Dawn ootab starti. Külgedel kokkupandud päikesepaneelid, keskel sideantenn, selle all valge katte taha peidetud ioonmootor.
Dawn teel asteroidide poole, kunstniku nägemus.

Raketiteadus ei ole siiski nii lihtne. Tuleb arvestada, et ioonmootoriga ei saa startida maapinnalt ja kui saaks, siis maapinna kiirus ei ole kosmilises taustsüsteemis null.

Ioonmootor kasutab „kütust” (milleks tihti on ksenoon) ja muutub nii ise kergemaks. Sellega muutub ka kiirendus, nagu see käib ka tavapäraste põlemisrakettide korral. „Dawn” startis Maa orbiidilt 17. detsembril 2007 pärast ioonmootori katsetamist ja kasutas vaid 72 kg ksenooni kiiruse suurendamiseks 1,81 km/s võrra. Pärast täiendavat kiirendamist Marsi gravitatsiooniväljas suundus „Dawn” uurima asteroide. Mitmete häirete kiuste uuris sond Vestat ja jõudis Cerese orbiidile 6. märtsil 2015. „Dawni” päikesepaneelide pindala on tervelt 36,4 m2, sest elektrit on vaja ioonide kiirendamiseks ja asteroidide vöösse lennates jääb Päike üha kaugemale.