Ionimoottori onavaruusalusten sähköpropulsiotekniikka, jossa työntövoimaa tuotetaan kiihdyttämällä varautuneitaionejasähkökentässä. Ionimoottoreihin luetaan tyypillisesti sähköpropulsion sähköstaattisen haaraan kuuluvatverkolliset- (GIT),Hall- jakenttäemissioionimoottorit (FEEP).
Ionimoottorin toiminta perustuu varauksettomien ajoaineatomien tai -molekyylien pommittamiseen elektronisuihkulla, jolloin nämä ionisoituvat positiivisesti varautuneeksiplasmaksi. Ajoaineplasma ohjataan sähkökenttään, missä se kiihtyy sähköstaattisenCoulombin voiman vaikutuksesta hyvin suuriin nopeuksiin, ja poistuu moottorista tuottaen alukselle pakokaasun virtaussuunnalle vastakkaisen työntövoiman.
Ionimoottorien tuottama työntövoima on varsin heikkoa, mutta ne kiihdyttävät pakokaasunsa erittäin suuriin nopeuksiin, minkä ansiosta ajoaineen käytön hyötysuhdetta mittaava ominaisimpulssi on moottorityypillä erittäin korkea. Ionimoottorit kykenevät pitkiin ja hitaisiin kiihdytyksiin, joilla ne kykenevät saavuttamaan suuria kemiallisia rakettejakin vastaavialiikemääriä huomattavasti pienemmällä ajoaineen kulutuksella.
Ionimoottorien pääkäyttökohteena ovat muiden sähköpropulsiomuotojen tapaan avaruudessa tapahtuvat kiertoratamuutokset, asemanpito radalla ja avaruuskappaleiden väliset siirtymiset.
Verkolliset ionimoottorit jakautuvat rakenteellisesti kolmeen pääosaan: purkauskammiossa sijaitsevaan plasmantuottajaan, kiihdytysverkkoihin ja neutralointikatodiin. Verkollisten moottorien kolme alatyyppiä ovat elektronipommitus-, radiotaajuus- ja mikroaaltoionimoottorit, ja ne eroavat toisistaan pääasiassa plasman tuottamiseen käytetyn menetelmän osalta. Kolme metodia on kuvattu alla:
Kenttäemissiomoottorit (lyh.FEEP,engl.Field-emission electric propulsion) jakautuvat rakenteellisesti kolmeen pääosaan: emitteriin, kiihdytinelektrodiin ja neutraloijaan.
Verkollisista- ja Hall-ionimoottoreista poiketen niiden ajoainesyöttö tapahtuu nestemäisessä olomuodossa, minkä jälkeen nestemäinen ajoaine ionisoituu emitterin ja kiihdytinelektrodin välisen korkean potentiaalieron aikaansaamassakenttäemissiossa.
Kenttäemissiomoottorit jaotellaan alatyyppeihin rakenteen ja käytetyn ajoaineen mukaan (nestemetallitcesium,indium jaelohopea, sekä erillisenäsuolasulat).
Ionimoottorien tuottama työntövoima on varsin heikko, vaihdellen Hall-moottoreissa välillä 10 µN – 2 N ja verkollisissa moottoreissa välillä 10 µN – 0,2 N.[1] Moottorityyppi kykenee kuitenkin saavuttamaan erittäin suuria pakokaasun nopeuksia, (Hall-moottoreissa 10-20 km/s ja verkollisissa 20-40 km/s) minkä ansiosta ajoaineen käytön hyötysuhdetta mittaavaominaisimpulssi on erittäin korkea, liikkuen avaruuteen laukaistuissa Hall-moottoreissa 1 500–2 000 ja vastaavanlaisissa verkollisissa moottoreissa 2 500–3 600 sekunnin välillä.[2] Laboratoriokoekäyttöön edenneissä moottoreissa on saavutettu jopa 17 000 sekunnin ominaisimpulsseja.[3] KokeellinenDS4G-ionimoottori saavutti vuonna 2006 ennätyksellisen 210 km/s pakokaasunopeuden[4] ja noin 19 400 sekunnin ominaisimpulssin.
Lentokäyttöön edenneiden ionimoottorien kokonaishyötysuhteet ovat Hall-moottoreissa vaihdelleet 35-60 prosentin ja verkollisissa moottoreissa 40-80 prosentin välillä.
Rakettitekniikan alkuisätKonstantin Tsiolkovski jaRobert Goddard loivat varhaisimmat visiot avaruusalusten sähköpropulsiosta ja ionimoottoreista. Goddard tutki sähköpropulsiota harvakseltaan vuodesta 1906 aina vuoteen 1917, jolloin hän hankkipatentin ”metodille tuottaa sähköistettyjä kaasusuihkuja” (”Method of and Means for Producing Electrified Jets of Gas”). Patentti sisälsi kolme kaaviota, joista yhtä voidaan pitää varhaisimpana sähköstaattisen ionimoottorin mallina.
Merkittävät sähköpropulsion kehitysohjelmat käynnistyivät Yhdysvalloissa ja Neuvostoliitossa 1960-luvulla. Yhdysvalloissa tutkimusta tekivät muun muassa NasanGlenn Research Center jaJet Propulsion Laboratory, sekä yksityinenHughes Research Laboratories, kun Neuvostoliitossa tutkimus jakautui eri instituuttien välille. Molemmat suurvallat laukaisivat ensimmäiset varhaisia cesium- ja elohopea-ajoaineita käyttäneet kokeelliset ionimoottorit kiertoradalle 1960-luvun alkuvuosina. Verkollisten- ja Hall-ionimoottorien kehitysohjelmat jatkuivat 1980-luvulle saakka.
Yhdysvalloissa sähköpropulsioon liittyvän tutkimuksen perusta syntyi 1960- ja 1970-luvun vaihteessa ilmestyneiden julkaisujen pohjalle. Ensimmäinen sähköpropulsiomenetelmiä käsitellyt systemaattinen analyysi oliErnst Stuhlingerin vuonna 1964 julkaisemaIon Propulsion for Space Flight.Robert G. Jahnin kirjoittama, neljä vuotta myöhemmin julkaistuPhysics of Electric Propulsion kuvaili kattavasti moottoreihin liittyviä fysikaalisia ilmiöitä. George R. Brewerin kirjoittama, vuonna 1970 julkaistuIon Propulsion Technology and Applications esitti varhaisten ionimoottoriencesium- jaelohopea-ajoaineisiin pohjautuneen teknologian, sekä sähköpropulsiolle yleisen matalaan työntövoimaan perustuneen avaruusmissioprofiilin rata-analyyseineen.
Neuvostoliittolaiset asensivat vuonna 1971 kahteenMeteor-satelliittiinSPT-60 -Hall-moottorit. Moottorityypin käyttö neuvostoliittolaisissa tietoliikennesatelliiteissa olikin sähköpropulsion ensimmäinen laajamittainen käyttökohde. Moottorityypin käyttö näissä kohteissa on jatkunut Venäjällä Neuvostoliiton hajoamisen jälkeen.
Ensimmäinen pohjois-eteläsuuntaiseen asemanpitoon suunniteltu ionimoottori laukaistiin japanilaisenEngineering Test Satellite 6 (ETS 6) -koesatelliitin kyydissä vuonna 1995. Kantoraketin laukaisun osittainen epäonnistuminen esti kuitenkin ionimoottorin käytön asemanpitoon, mutta moottoria operoitiin tästä huolimatta onnistuneesti kiertoradalla.
Ionimoottorien kaupallinen käyttö käynnistyi Yhdysvalloissa vuonna 1997, kun Hughes toi markkinoilleXenon Ion Propulsion System (XIPS) -moottorinsa. NASA laukaisi vuotta myöhemmin kokeellisenNSTAR-ionimoottorin osanaDeep Space 1 -luotaintaan.
