Revolutionär: Nur mit der Kraft einer Schokoladentafel bringen Ionantriebe Raumsonden auf Trab.
Göttingen - Die Weltraumfahrt – auch in unendliche Weiten – hat mit der irdischen Mobilität eine Gemeinsamkeit: Wenn Raumsonden oder Satelliten einmal in einer Umlaufbahn oder auf dem Weg nach „draußen“ sind, dann düsen sie zunehmend häufiger rein elektrisch durch den weiten Raum. Zwar müssen die Raketen immer noch mit großem Krawumm vom Boden ins All katapultiert werden, doch alles Weitere funktioniert dann besser elektrisch. Das spricht sich in dieser speziellen Mobilitätsbranche nun auch herum. Seit der Flugzeug- und Raumfahrtkonzern Boeing eine Satellitenplattform rein elektrisch vorgestellt hat, ziehen immer weitere Konzerne nach.
Elektrisch Weltraumantriebe, sogenannte Ionentriebwerke, sind eigentlich recht schwach, dafür aber in der Ausdauer immens leistungsfähig (siehe Kasten). „Klar, mit einem Ionentriebwerk kann man niemals vom Erdboden aus starten“, erklärt der Physiker Kristof Holste, der an der Universität Gießen Ionentriebwerke entwickelt. Doch wenn auch nur eine geringe Strahlkraft permanent und über Tausende Stunden hinweg den Satelliten durchs All schiebt, dann kommen hohe Geschwindigkeiten zustande. So gelangen die Planeten unseres Sonnensystems in Reichweite.
Wie ein Haarföhn
Beim Abheben vom Boden verbrennen die klassischen chemischen Raketenantriebe große Treibstoffmassen bei Austrittsgeschwindigkeiten von rund vier Kilometern pro Sekunde – aber nur für wenige Minuten. Doch dann ist der Satellit schon hoch oben. Ein Ionentriebwerk hingegen düst seinen Treibstoff mit bis zu 60 Kilometern pro Sekunde aus, hauchzart, aber bei 50 000 Betriebsstunden.
So ein Ionentriebwerk erinnert ein bisschen an einen Föhn zum Haaretrocknen. Aus dem Gerät kommt ein warmer Luftstrom raus. Beim Triebwerk sind dies Xenon-Ionen. Xenon ist ein Edelgas und wird in einer Gasflasche mitgeführt. Nach dem Verfahren einer Mikrowelle trennen die Konstrukteure die Elektronen in einem Hochfrequenzfeld von einigen Megahertz ab. Das Xenon ist ionisiert, elektrisch positiv geladen und wird per Hochspannung auf ein negativ geladenes Gitter beschleunigt. Der Gasstrom tritt durchs Gitter und gerichtet aus dem Triebwerk aus. Die Technik fügt zur Neutralisation wieder Elektronen hinzu, und alles düst ins All. Den gleichen Impuls, den die Gesamtmenge des Gases in die eine Richtung erfährt, gewinnt das Raumfahrzeug in die andere Richtung. Das ist klassische Rückstoßmechanik à la Isaac Newton aus dem 18. Jahrhundert.
Beliebter Ionenantrieb
Im 21. Jahrhundert hat mittlerweile mehr als jeder zweite Satellit einen Ionenantrieb an Bord. Auch die aktuell Richtung Merkur fliegende Sonde Bepicolombo. Benannt ist das Raumfahrzeug nach dem Italiener Giuseppe „Bepi“ Colombo (1920 bis 1984), der den sogenannten Swing-by mitentwickelte: Raumsonden nutzen bei ihren Touren durch das Sonnensystem das Schwerfeld eines Planeten, um so richtig zu beschleunigen und sich in eine andere Richtung zu katapultieren.
Bei der aktuellen Mission Bepicolombo der europäischen und japanischen Raumfahrtbehörden Esa und Jaxa sind das gleich neun Swing-by-Manöver, um an Erde und Venus vorbei zu beschleunigen und an Merkur abzubremsen. Das Finetuning erfolgt dabei durch die Ionentriebwerke. Die Sonde startete im Oktober 2018 und wird 2021 am Merkur ankommen. Vergangenen Dezember testeten die Ingenieure der Esa in Darmstadt erstmals die vier Ionentriebwerke an Bord. „Das war eine knifflige Angelegenheit“, berichtete Elsa Montagnon von der Bepicolombo-Mission. Bald darauf ging’s auf Reisegeschwindigkeit, mit einer Kraft von 125 Millinewton, was laut Esa der Gewichtskraft einer Haushaltsbatterie entspricht.
Alternativen zu Xenon
„Die Ionentriebwerke werden künftig Standard. Das ist für uns eine spannende Zeit“, sagt Kristof Holste. An der Uni Gießen wurde mit russischen Kooperationspartnern schon in den 1990er Jahren eine Merkur-Mission erwogen. Damals schlugen die Russen einen Kernreaktor vor, um die Energie für das Ionentriebwerk zu liefern. Die Esa winkte ab. Später wurden weltraumtaugliche Solarzellen so leistungsstark, dass sie heute fast immer die Energieversorgung von Satelliten und Raumsonden übernehmen.
Aktuell erforschen die Wissenschaftler um Holste unter anderem an Alternativen zum Antriebsstoff Xenon. Zum einen ist Xenon recht teuer, zum anderen muss es in 300-bar-Drucktanks mitgeführt werden. Das ist unter den rauen Startbedingungen von Raketen ein Sicherheitsrisiko. Ein fester Treibstoff wäre da vorteilhafter. Insgesamt muss ein Treibstoff leicht ionisierbar sein und eine hohe Masse haben, damit auch der Rückstoß groß wird. Interessant wäre das Halogen 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.
Testen unter All-Bedingungen
Wichtig bei einem Ionentriebwerks ist, dass der Strom positiv geladener Xenon-Ionen beim Austritt aus dem Triebwerk wieder neutralisiert wird. Das geschieht durch Beigabe von Elektronen in den Strom. Würden die positiven Xenon-Ionen allein das Triebwerk und die Raumsonde 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 zurückkehren würden. Der Vortriebseffekt wäre dann gleich null.
Auch können die Teilchen des Ionenstrahls an Bauteilwände von Triebwerk, Raumsonde oder Solarpaneels prasseln und dort zu Erosionserscheinungen führen. In Simulationskammern studieren die Forscher daher das Triebwerk und den Teilchenstrahl unter Weltraumbedingungen. Die Jumbo genannte Kammer an der Justus-Liebig-Universität Gießen hat einen Durchmesser von 2,5 Metern und ist sechs Meter lang. Über viele Stunden reduzieren die Vakuumpumpen den Innendruck auf unter ein Millionstel Millibar. Statistisch trifft dann ein Luftteilchen erst nach einem Kilometer auf ein anderes Luftteilchen. Dort setzen Holste und seine Kollegen die Ionentriebwerke ein und studieren deren Verhalten.
Von der Tasse zum Fäßchen
Die Größe – sie reicht einer Kaffeetasse bis zu einem Bierfässchen – sowie die Leistungsfähigkeit der Triebwerke kann je nach Aufgabe eingestellt werden. Zwei Trends macht Kristof Holste derzeit aus: „Zum einen gibt es die Verkleinerung von Triebwerken für den Einsatz in Kleinsatelliten, zum Beispiel in Cube Sats, zum anderen den Bau sehr großer Antriebssysteme für den Flug zum Mars.“ Auf einer Konferenz zu elektrischen Weltraumantrieben und deren Anwendungen haben sich vergangenen Oktober die deutschen Forscher mit ihren russischen Kollegen ausgetauscht. Es ging einfach darum, die Elektrifizierung der Weltraumantriebe 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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