Wissen: Die Raumfahrt setzt auf den Elektroantrieb

Wissen : Die Raumfahrt setzt auf den Elektroantrieb

Ionentriebwerke sollen zum neuen Standard für Planetenmissionen werden. Jede zweite Sonde fliegt bereits elektrisch.

Nicht nur auf der Erde, auch im Weltall sind elektrische Antriebssysteme auf dem Vormarsch. Zwar müssen Raketen von der Erde immer noch unter großem Getöse mit chemischen Triebwerken starten, alles Weitere im All funktioniert dann aber besser elektrisch. Seit der Luft- und Raumfahrtkonzern Boeing eine rein elektrische Satellitenplattform vorgestellt hat, ziehen weitere Konzerne nach.

Elektrische Antriebe, sogenannte Ionentriebwerke, sind schwach, dafür aber extrem ausdauernd. Der Physiker Kristof Holste nimmt zum Vergleich eine Tafel Schokolade in die Hand. Ein Viertel dieser 100-Gramm-Tafel – also die Menge weniger Schokostückchen – entwickelt durch ihre Schwerkraft ebenso viel Druck auf die Hand wie der Schub eines großen Ionentriebwerks. „Klar, mit einem Ionentriebwerk kann man niemals vom Erdboden aus starten“, erklärt Holste, der an der Uni Gießen diese Triebwerke entwickelt. Doch weil der Antrieb tausende Stunden ununterbrochen läuft, ermöglicht er hohe Geschwindigkeiten. Planeten wie Mars, Venus oder Merkur im Inneren des Sonnensystems kommen so in Reichweite.

Beim Start von der Erde verbrennen klassische Raketenantriebe große Treibstoffmassen. Der Gasstrahl schießt dabei mit einer Geschwindigkeit von rund vier Kilometern pro Sekunde aus der Düse. Nach wenigen Minuten ist der Tank leer, dann ist der Satellit auch schon in der Umlaufbahn. Ein Ionentriebwerk hingegen düst seinen Treibstoff mit bis zu 60 Kilometern pro Sekunde aus, hauchzart, aber 50 000 Betriebsstunden lang.

Ein Ionentriebwerk erinnert ein wenig an einen Fön, denn aus dem Gerät dringt ein warmer Luftstrom. In der Regel sind dies Xenon-Ionen. Das Edelgas Xenon wird in einem Tank mitgeführt. Die Elektronen werden in einem Hochfrequenzfeld von ihren Atomkernen getrennt. Das Xenon ist dann ionisiert, elektrisch positiv geladen, und wird per Hochspannung durch ein negativ geladenes Gitter beschleunigt. Der Strahl tritt durch das Gitter aus dem Triebwerk aus. Zur Neutralisation werden danach wieder Elektronen hinzugeführt und alles düst ins All. Denselben Impuls, den die Gesamtmenge des Gases in die eine Richtung erfährt, gewinnt das Raumfahrzeug in die andere Richtung. Das ist klassische Rückstoßmechanik à la Sir Isaac Newton aus dem 18. Jahrhundert.

Im 21. Jahrhundert hat mehr als die Hälfte aller Satelliten einen Ionenantrieb. Auch die jetzt Richtung Merkur fliegende Sonde BepiColombo. Benannt ist dieses Raumfahrzeug nach dem Italiener Giuseppe „Bepi“ Colombo (1920-1984), der den sogenannten Swing-by mitentwickelte: Raumsonden nutzen bei Touren durch das Sonnensystem das Schwerfeld eines Planeten, um zu beschleunigen. Bei der Mission BepiColombo der europäischen und japanischen Raumfahrtbehörden Esa und Jaxa sind das gleich neun Swing-by Manöver, um an Erde und Venus zu beschleunigen und am Merkur abzubremsen. Die präzise Steuerung der Flugbahn erfolgt durch Ionentriebwerke. Die Sonde startete im Oktober 2018 und wird im Jahr 2021 am Merkur ankommen.

Vergangenen Dezember testeten Ingenieure der europäischen Raumfahrtagentur Esa erstmals die vier Ionentriebwerke an Bord. „Das war eine knifflige Angelegenheit“, berichtet Elsa Montagnon von der BepiColombo-Mission. Bald darauf ging‘s auf Reisegeschwindigkeit, mit einer Kraft von 125 Millinewton. Das ist etwa ein Achtel der Gewichtskraft einer Tafel Schokolade.

„Die Ionentriebwerke werden Standard. Das ist für uns eine spannende Zeit“, sagt Entwickler Holste.

An der Universität Gießen wurde mit russischen Kooperationspartnern schon in den 1990er Jahren eine Merkur-Mission erwogen. Damals schlugen die russischen Partner einen Kernreaktor als Energiequelle für das Ionentriebwerk vor. Die europäische Raumfahrtagentur Esa winkte ab. Später wurden weltraumtaugliche Solarzellen so leistungsstark, dass heute die Energieversorgung von Satelliten und Raumsonden fast immer über Solarpanels erfolgt.

Aktuell erforschen die Wissenschaftler um Holste alternative Materialien, die den Treibstoff Xenon ersetzen sollen. Das Edelgas ist teuer und muss in 300-bar-Drucktanks mitgeführt werden. Das ist bei den rauen Startbedingungen von Raketen immer ein Sicherheitsrisiko. Ein fester Treibstoff wäre von Vorteil. Doch muss der Treibstoff auch leicht ionisierbar sein und eine hohe Masse haben, damit der Rückstoß möglichst stark wird. Interessant wäre zum Beispiel Jod, aber auch so kuriose Stoffe wie Nanodiamanten lagen in einem Kooperationsprojekt mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) aus Göttingen schon auf dem Experimentiertisch.

Wesentlich für die Funktionsweise des Ionentriebwerks ist, dass der Strom positiv geladener Xenon-Ionen beim Austritt aus dem Triebwerk neutralisiert wird. Das geschieht durch Beigabe von Elektronen. Würden die positiven Xenon-Ionen allein das Triebwerk verlassen, so würde sich die Raumsonde negativ aufladen. Es entstünde ein elektrisches Feld, in dem die Xenon-Ionen auf lang gestreckten Bahnen wieder zum Raumschiff zurückkehrten. Dann wäre der Vortriebseffekt gleich null.

Die Teilchen des Ionenstrahls können an Bauteilen der Raumsonde oder ihrer Solarpanels zu Erosionserscheinungen führen. In Simulationskammern studieren die Forscher daher das Triebwerk und den Teilchenstrahl unter Weltraumbedingungen. Der Jumbo genannte Tank an der Justus-Liebig-Universität Gießen hat beispielsweise einen Durchmesser von 2,5 Metern und eine Länge von sechs Metern. In diesem künstlichen Vakuum setzen Holste und seine Kollegen die Ionentriebwerke ein und studieren deren Verhalten.

Die Größe und die Leistungsfähigkeit der Ionentriebwerke kann je nach Aufgabe eingestellt werden. Sie reichen in der Größe von einer Kaffeetasse bis zu einem Bierfässchen. Zwei Trends macht Kristof Holste derzeit aus. „Zum einen gibt es die Verkleinerung von Triebwerken für den Einsatz in Kleinsatelliten, zum Beispiel in sogenannten CubeSats, zum anderen den Bau sehr großer Antriebssysteme für den Flug zum Mars“, erklärt der Physiker. Auf einer Konferenz zu elektrischen Weltraumantrieben und deren Anwendungen haben sich vergangenen Oktober die deutschen Forscher mit russischen Kollegen ausgetauscht. Es ging darum, die Elektrifizierung im All weiter voranzutreiben. Wenn es schon am Erdboden mit den Elektroautos nicht so vorangeht, wie es wünschenswert wäre – am Firmament setzen alle auf den Elektroantrieb.

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