Innovation & Technologies

Satelliten dank Luftantrieb bald unsterblich?

Der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) ist im März 2018 ein großer Schritt in der Luftfahrtforschung gelungen. Sie hat in einer Vakuumkammer, in der die Umgebungsbedingungen in 200 Kilometern Höhe simuliert werden, erfolgreich den Prototyp eines Raumfahrttriebwerks getestet, das ohne Treibstoffbetankung funktioniert. Es ist das erste Ionentriebwerk, das aus der Luft in der oberen Atmosphäre seinen eigenen Treibstoff erzeugen kann. Diese Technologie, die sauberer und billiger ist und in unbegrenzter Menge vorhandenen Treibstoff verwendet, könnte die Raumfahrtindustrie revolutionieren.

Xenon und Sonnenkollektoren

Aber wie funktioniert dieses Triebwerk? Und was versteht man unter einem Ionentriebwerk? Ein Ionentriebwerk ist ein Triebwerk, bei dem der Antrieb durch Beschleunigung von Ionen auf eine sehr hohe Geschwindigkeit erfolgt. Da die Schubkraft des Ionentriebwerks für einen Einsatz auf der Erde zu schwach ist – sie entspricht einem Lufthauch bei ausgestreckter Hand – wird das Ionentriebwerk vor allem in der Raumfahrtindustrie verwendet. Es werden zunehmend Sonden und Satelliten in niedriger Höhe, vor allem Telekommunikations- und Erdbeobachtungssatelliten, damit ausgerüstet, um Kursanpassungen vorzunehmen oder zu verhindern, dass sie die Umlaufbahn wechseln.

Der Treibstoff in einem Ionentriebwerk wird nicht verbrannt, sondern ionisiert. Die Energie wird einem Gas – Xenon – zugeführt, dessen Bestandteile schließlich ionisiert werden. Mit anderen Worten, sie werden durch den Aufprall von Molekülen und Atomen in elektrisch geladene Partikel umgewandelt. Die freigesetzten Ionen werden beschleunigt und lösen Reaktionskräfte in entgegengesetzter Richtung aus. Das ist die Schubkraft des Ionentriebwerks, das schwächer, aber dafür viel länger als ein klassisches Raketentriebwerk ist. Die zur Ionisierung von Xenon und zur Beschleunigung der freigesetzten Ionen benötigte elektrische Energie wird in der Regel durch Sonnenkollektoren erzeugt.

Längere Missionen

Der größte Vorteil des Ionenantriebs ist der geringere Treibstoffbedarf als bei chemischen Antriebssystemen. Etwa 40 Kilo reichen aus, um das Funktionieren eines Ionentriebwerks für etwa fünf Jahre sicherzustellen. Diese Treibstoffmenge ist dennoch mit Einschränkungen verbunden. Wenn das gesamte Xenon verbraucht und ionisiert wurde, wird der Schub gestoppt und die Mission der Sonde bzw. des Satelliten endet. Die einfachste Lösung für dieses Problem wäre eine Erhöhung der Xenonmenge. Aber je höher die Nutzlast, desto höher auch die Kosten. Allein nur, um das Fluggerät ins All zu befördern, muss eine Trägerrakete für höhere Lasten verwendet und große Mengen an herkömmlichem Treibstoff verbrannt werden.

Der neue von der ESA entwickelte Antrieb könnte das ändern. Der Prototyp der ESA verwendet anstelle von Xenon als Treibstoff die vorhandene atmosphärische Luft. Diese hauptsächlich aus Sauerstoff und Stickstoff bestehende Luft gelangt durch einen Kollektor, der die Luftmoleküle sammelt, in den Motor, und zwar indem sie angesaugt und verdichtet werden, statt abzuprallen. Dann lädt und beschleunigt der zweistufige Antrieb die einströmende Luft. Zahlreiche Missionen könnten dank dieser Technologie, die Treibstoff verwendet, der in unbegrenzter Menge in der oberen Atmosphäre (bis 250 Kilometer Höhe) vorkommt, über lange Zeiträume durchgeführt, und astrophysische Phänomene damit über lange Zeit untersucht werden. Auch könnte eine neue Reihe von Satelliten, die über sehr lange Zeiträume hinweg in niedrigen Erdumlaufbahnen unterwegs sind, konzipiert werden.

Das Ziel: der Mars

Diese Antriebsart könnte auch in anderen Atmosphären als der Erdatmosphäre eingesetzt werden und die Luft anderer Planeten verwenden. Es wäre auch möglich, das Kohlendioxid des Mars aufzufangen und als Treibstoff zu verwenden. Eine derartige technische Meisterleistung wird Elon Musk zweifelsohne in Atem halten: Der ikonenhafte Chef von SpaceX und Tesla wünscht sich, dass sein verrücktes Projekt, eine Kolonie auf dem Mars zu errichten, mit der Entsendung einer bemannten Mission im Jahr 2024 konkrete Formen annimmt. Sprich in fünf Jahren!

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