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Solar-Ballone und Solar-Luftschiffe


Da zu diesen Flugobjekten auch elektrische Luftschiffe gehören, ist es nur passend, mit eben einem solchen zu beginnen.

La France 1879

La France (1879)

Der französische Hauptmann Charles Renard befaßt sich nach Beendigung des Deutsch-Französischen Krieges 1870/71 mit der Entwicklung von Luftschiffen und erhält, nachdem er ein überzeugendes Modell präsentieren kann, 200.000 Franc aus der Staatskasse, mit denen er zusammen mit seinem Bruder Paul und dem Hauptmann Arthur H. C. Krebs im Jahr 1879 im Hangar Y bei Chalais Meudon in der Nähe von Paris das 50,3 m lange Luftschiff La France baut (andere Quellen: 52 m), das von einem 7 m durchmessenden Holzpropeller angetrieben wird.

Hangar Y ist übrigens die älteste Luftschiffhalle der Welt und eine der wenigen, die in Europa heute noch existieren, weshalb sie 2002 als Kandidat auf die Liste des Weltkulturerbes gestellt wird.

Das Elektroluftschiff mit Akkubetrieb beweist im August 1884 bei seinem Jungfernflug, daß der Bau und Betrieb eines lenkbaren Luftschiffes möglich ist. Bei seiner Erstfahrt absolviert es in 23 Minuten und in einer Höhe von bis zu 300 m einen 7,6 km langen Rundkurs, und landet dann wieder an seinem Startplatz. Es ist dies das erste Mal, daß eine Flugmaschine an den Ort ihres Abflugs zurückkehrt.

Auf insgesamt sieben Flügen zwischen 1884 und 1885 gelingt dem Luftschiff fünf Mal die Rückkehr zum Startpunkt, wobei unterwegs eine Höchstgeschwindigkeit von 22,32 km/h erreicht wird. 1889 wird das Luftschiff, das ein Volumen von 1.900 m3 hat, auf der Pariser Weltausstellung präsentiert.

Besonders interessant ist, daß Renard gleichzeitig auch noch die Duchfluß-Batterie erfindet, mit der er den 6,25 kW Elektromotor versorgt, der den Propeller seines Luftschiffs antreibt. Vielleicht hat dies die Umsetzung etwas verzögert, denn den allerersten elektrisch betriebenen Flug kann er nicht für sich verbuchen.

Schon 1881 stellen die Brüder Albert und Gaston Tissandier aus Paris, die sich zuvor erfolgreich mit Heißluft-Ballonen beschäftigt haben, ein privat finanziertes Luftschiff vor, das mit einem 1,5 PS Elektromotor der Firma Siemens bestückt ist, welcher die zweiflügelige Luftschraube antreibt.

Und dieses Luftschiff hat seinen Erstflug bereits am 8. Oktober 1883. Ein zweites Modell mit einem stärkeren Elektromotor wird im August 1884 durch das französische Militär abgenommen und erstmals erprobt.


Cover von 1934

Cover (1934)

1934 erscheint auf dem Titelblatt der Oktoberausgabe des US-Magazins Modern Mechanix die Zeichnung eines gewaltigen Luftschiffes, das gleichzeitig als fliegender Flughafen dienen soll.

Besonders interessant ist, daß das schwebende Aerial Landing Field durch ein Solarzellen-Feld mit Strom versorgt werden soll!

Das Magazin spricht von „jüngsten Experimenten bei der Umwandlung von Sonnenstrahlen in elektrische Energie“, welche zu der ungewöhnlichen Idee geführt haben.


Eine noch gewaltigere Vision geht auf den Architekten, Erfinder, Systemtheoretiker und Philosophen Richard Buckminster Fuller zurück.

Im Jahre 1960 ersinnt er gemeinsam mit dem japanischen Architekten Shoji Sadao das Project for Floating Cloud Structures das auf einer Verbindung der von Fuller entwickelten geodätischen Formen und seiner Tensegrity-Technik basiert. Dabei sollen die am Himmel schwebenden, riesigen Kugelstädte mit einem Durchmesser von einer Meile (1,6 km) jeweils bis zu 7.000 Menschen eine Heimat bieten.

Laut Fuller können sich die Gebilde selbst in der Luft halten, bedingt durch das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis der gigantischen Sphäre. Schon mit Luft in Raumtemperatur im Inneren würden sie schweben wie Heißluftballone, und die Höhe ließe sich mit kaum fühlbaren Temperaturveränderungen regulieren. Weshalb das unter dem Namen Cloud Nine bekannte Projekt an dieser Stelle erwähnt wird, liegt an den weiteren Vorstellungen Fullers. Die Mini-Städte sollen sich nämlich komplett autark versorgen: Nahrung würde in Farmen abgebaut, Wasser stets aufbereitet und Elektrizität mit Solarzellen gewonnen werden. Dabei können die Sphären-Städte entweder frei umher schweben und dessen Bewohner so die Welt sehen, oder sie werden an Bergen verankert. Und in jedem Fall sollen Bewohner mit Solar-betriebenen Flugzeugen zwischen den Städten hin und her reisen.

Auch wenn es weder Fuller noch uns bislang vergönnt war, eine Cloud Nine am Himmel zu sehen und zu besteigen, lebt die Idee auch heute noch fort. So stellte der Designer und Architekt Tiago Barros vom Cargo Collective im Jahr 2011 sein Projekt Passing Cloud vor, bei dem sich mehrere Ballonkugeln zu einer großen Schwebestadt verbinden (s.u.).


Bis zu den ersten Umsetzungen solcher Visionen dauert es dann jedoch noch über 10 Jahre.

Desert Cloud

Desert Cloud

Der britische Künstler Graham Stevens produzierte 1972 das Projekt Desert Cloud, das er in der arabischen Wüste in der Nähe von Kuwait aufsteigen läßt und filmt. Dabei handelt es sich um eine aufblasbare, pneumatische Konstruktion, die rein durch Sonneneinstrahlung schwebt – in vier bis sechs Metern Höhe, und als angenehmer Schattenspender, wie man in dem damals aufgenommen Film sieht, der immer wieder bei Architekturausstellungen gezeigt wird.

Auf dem Screenshot erkennt man deutlich die fünf geschwärzten, senkrechten Lamellen innerhalb der 250 x 1150 x 750 cm großen Struktur aus Mylar, welche sich in der Sonne aufheizen und damit auch die innen eingeschlossene Luft erwärmen. Der schwebende Teppich ist inzwischen ein Exponat des Architekturmuseums Les Turbulences - Frac Centre in Orléans, Frankreich.


Das Unternehmen Lighter then Air Solar (LTAS)/CAMBOT LLC. von Michael Walden in Palmales Court, Las Vegas, beginnt bereits in den frühen 1970ern – und später auch in Zusammenarbeit mit der SkyLARC Technologies Ltd. und der University of York – mit der Entwicklung schwebender HAP-Plattformen (High Altitude Platform) sowie SOSCS-Anlagen (Sub Orbital Solar collector and Communications Station) als Relaisstationen für die Telekommunikation. Der 1951 geborene Walden gilt aufgrund einer seltenen Augenkrankheit juristisch als blind – so verbleibt ihm als einziges Fluggefährt, das er vielleicht einmal steuern kann, das Luftschiff. Schon mit 14 beginnt er daher, erste Modelle zu entwerfen.

1974 wird das kleine ferngesteuerte Modell XEM-1 gebaut, das von Solarzellen betrieben zum ersten mal im Juli startet. Schon hier zeigt sich das charakteristische, flugscheibenförmige Design, welches das Unternehmen auch bei seinen späteren Modellen beibehält. Die Patentierung beginnt 1977 – zeitlich parallel zu weiteren, vom DOE finanzierten Testflügen auf der Nellis Air Force Base.

1978 erreicht das Modell XEM-2 bereits eine Gesamtflugzeit von 3 Monaten und 3 Tagen. Es ist ein ebenfalls solarbetriebenes Flugobjekt mit einen Durchmesser von knapp 2,5 m. Gemeinsam mit dem mexikanischen Unternehmen Spacial wird außerdem die Entwicklung des MLA-24-A Luftschiff begonnen. 1980 wird das 3,65 m durchmessende Modell XEM-3, und 1981 das ähnliche XEM-4 konstruiert. Nun beginnt auch der Bau des großen Luftschiffes, doch 1982 zerstört ein Hurrikan in Mexiko die Werkstätten und alle Modelle.

Solarluftschiff MLA 32 B

MLA-32-B

Nach dem Wiederaufbau 1983 setzt Walden seine Arbeit mit der Herstellung des bereits etwas größeren MLA-32-A fort, das 1985 fertig ist. Bei einer zweistündigen unbemannten Fahrt 1986 erreicht es auch eine Höhe von knapp 20.000 Fuß, doch ein Gaszellenriß verursacht eine so harte Landung, daß es stark in Mitleidenschaft gezogen wird. 1987 wird das Schiff dann repariert, und außerdem wird die MLA-32-B auf Kiel gelegt, die am 24.06.1989 zu ihrem Erstflug startet. Es ist das erste bemannte Starrluftschiff, das sich seit über 50 Jahren in die Luft erhebt, hat einen Durchmesser von 20 m und eine Höhe von 12 m. Walden hatte derweil den mexikanischen Unternehmer Mario Sanchez-Roldan kennengelernt, der mit ihm seinen Traum teilte und die Projekte finanzierte.

Ab 1990 arbeitet das Unternehmen an weiteren Luftschiffen wie dem TOURER-90 für 24 Passagiere, der im Bereich des Ökotourismus eingesetzt werden soll. Alleine schon der 360° Rundblick aus der ebenfalls runden Gondel bietet einen großen Vorteil gegenüber allen anderen vergleichbaren Konzepten. Etwa 75 % der Oberfläche soll mit Solarzellen belegt werden.

Während der Endspiele des World Cup 1990 in Mexico City fliegt das Luftschiff MLA-32-B eine Woche lang Werbeflüge, bei denen es täglich von über 20 Mio. Menschen gesehen wird. Nach einer Notlandung aufgrund von Energieproblemen, die ausgerechnet auf einem von aztekischen Bauern besetzten Feld erfolgt, wird das Luftschiff von etwa 2.500 Personen angegriffen und völlig zerstört. Mario Sanchez-Roldan stirbt einen Monat später bei einem Autounfall. Und die Versicherung haftet nicht für Schäden durch ‚wilde Ureinwohner’. Von dem UFO-förmigen Schiff gibt es leider nur sehr bescheidene Schwarzweiß-Fotos.

Zwischen 1991 und 1994 werden die Luftschiffpläne mehrfach der zwischenzeitlich erfolgten technischen Entwicklung angepaßt – und statt für Solarpaneele werden sie nun für den Einsatz von Dünnschicht-Solarzellen vorbereitet.

Solarluftschiff Tourer-90 Grafik

Tourer-90 (Grafik)

Nachdem es bis 1995 nicht gelingt, die Finanzierung des Tourer-90 zu sichern, entwickelt das Unternehmen mit dem X-30 ein kleines, nur 22 bis 25 m durchmessendes Luftschiff für 2 bis 3 Personen, mit dem es während der Solar Challenge in Australien an dem Solar Airship race Airborne teilnehmen will. Außerdem wird die erste Weltumrundung mit einem solarbetriebenen Luftschiff geplant: The Solar Saucer Tour.

1996 beginnt das Unternehmen ferner mit der Entwicklung eines Schiffes für 120 Passagiere. An dem LTAS 280 mit seinen 85 m Durchmesser sind Reiseunternehmen wie Aerocarribe interessiert. Diese Pläne scheinen aber alle nicht umgesetzt worden zu sein.

Daß die Firma SkySat Communications 1997 bei LTAS eine Vergleichsstudie zwischen dem SOSCS- und dem Skyworm-Projekt von SkySat bestellt, ist die letzte Meldung auf der Homepage des Unternehmens, die inzwischen überhaupt nicht mehr erreichbar ist. Die letzten Pressemeldungen stammen aus dem Jahr 2000.


Im Info 27 des Deutschen Hängegleiterverbands e.V. (DHV) wird im Jahr 1984 über ein Solar-Luftschiff mit dem Namen SOLUS  berichtet – über das ich bislang leider nichts näheres finden konnte. Es scheint auf den deutschen Solarpionier Jürgen Kleinwächter zurückzugehen. Über entsprechende Informationen würde ich mich freuen.


Doch nicht nur mit Solarluftschiffen wird schon früh experimentiert. Der Franzose Dominic Michaelis, auf dessen Seite eine Überfülle an Informationen zu diesem Thema zu finden ist, realisiert bereits 1972 einen Solarballon mit 22 m Durchmesser und einem Volumen von mehr als 5.000 m3, der aus einer nur 12 Mikron dünnen, transparenten Mylar-Folie besteht.

Innen bringt er drei große, um jeweils 120° versetzte schwarze Absorberfolien an, die bei Sonneneinstrahlung die eingeschlossene Luft erwärmen und für Auftrieb sorgen. Der Erstflug erfolgt im Mai 1973.

1981 baut Michaelis einen Solarballon, der auch Personen transportieren kann. Er besitzt eine Doppelhülle: Innen eine schwarze Dracon-Polyesterhaut mit einem Volumen von 30.000 m3 – und außen eine transparente Hülle aus Melinex-Folie mit einem Volumen von 40.000 m3. Auch hier reicht die Sonneneinstrahlung aus, um den Ballon mit seinen Passagieren in die Luft zu heben. Zur Beschleunigung des Starts und zur Sicherheit besitzt der Ballon allerdings auch einen Brenner. Am 21.08.1981 gelingt dem Piloten Julian Nott die erste Überquerung des Ärmelkanals mit einem Solar-Ballon.

Solar-Ballon von Michaelis

Solar-Ballon
von Michaelis

Ein ähnliches Konzept verfolgt seit 1977 auch das Französische Centre National d'Études Spatiales (CNES), das unter dem Namen MIR einen Stratosphärenballon mit 40 m Durchmesser entwickelt, dessen Hülle ebenfalls durch Sonnenenergie aufgeheizt werden soll. Als erreichbare Flughöhen werden 18 – 22 km am Tage und 28 - 32 km nachts angegeben (im Jahr 2001 umkreist ein in Bauru, Brasilien, gestarteter MIR-Ballon in 71 Tagen die Erde – ein bislang ungebrochener Weltrekord).

Anfang der 1980er Jahre beginnen überall Kinder mit schwarzen Folien zu spielen, die zu langen, vorn und hinten geschlossenen Röhren aufgeblasen und in die Sonne gelegt werden. Es dauert nicht lange, bis sie sich langsam in die Luft erheben. Diese ‚Solar-Luftschiffe’ werden auch noch Jahrzehnte später immer wieder als Gimmicks Kindermagazinen beigelegt...

An der Umsetzung dieser Technologie in einem größeren Projekt arbeitet eine (leider unbenannte) Hochschule in Japan zwischen 1989 und 2000. Ihr 1.100 m3 großer Ballon steigt auch brav in die Luft, wie man anhand einer bei Dominic Michaelis veröffentlichten Bilderfolge sehen kann.

Zwischen 1992 und 1996 arbeitet ein weiterer Franzose erfolgreich an der Entwicklung solarer Ballone: Während der erste Ballon von Jean-Paul Domen im Mai 1992 ein Volumen von nur 30 m3 hat und eine Zuladung von 1 kg auf eine Höhe von 18.000 m befördert, bringt der zweite im Mai 1993 bereits 40 kg auf 12.200 m Höhe – mit einem Volumen von 600 m3.

Im Februar 1996 startet sein dritter Ballon, dessen 8.000 m3, Volumen und 25 m Durchmesser eine Zuladung von 270 kg auf eine Höhe von 12.000 m bringt. Ebenfalls 1996 stellt Domen einen solarbetriebenen Fesselballon mit 16 m Durchmesser vor, mit dem Personen in eine Höhe von 300 m aufsteigen können. Er besteht aus einer 15 Mikron dünnen Hülle aus schwarzem Polyethylen.

Domen-Solarballon

Domen-Solarballon

Weitere, kleinere Versuchsmodelle werden von Emmanuel Laurent und François Kormann in Straßburg entwickelt. 1999 experimentiert auch das Arizona Solar Energy Institute mit Solar-Ballonen.

Im Jahr 2000 wird der nächste Schritt gewagt: Der Personentransport mittels eines Solarballons. Nach Versuchen im Südosten Frankreichs mit kleineren Modellen zwischen 4 und 14,5 m Durchmesser, reist ein Team um Laurent Besset und Raphaël Moreneo nach Mauretanien, wo im Januar 2001 diverse erfolgreiche 1-Personen-Fahrten mit Solarballons durchgeführt werden.

Der hierbei genutzte Solar-Ballon besteht aus einer 20 Mikron dünnen schwarzen Kunststoff-Folie, hat einen Durchmesser von über 20 m, ein Volumen von 1.700 m3 und eine Tragkraft von 120 kg – ausreichend für einen Piloten nebst Ballast. Auf der oben verlinkten Seite von Dominic Michaelis sind die Fahrten ausführlich dokumentiert.

In den Folgejahren werden viele weitere Fahrten unternommen, neue Enthusiasten in der Schweiz, in Frankreich, Belgien, Argentinien, Kanada und Australien schließen sich der wortwörtlichen ‚solaren Bewegung’ an und bauen und fahren mit eigenen Solar-Ballonen. Besonders interessant ist der australische Ballon Sol Aria, der sich durch eine thermale Asymmetrie auszeichnet, in dem er auf beiden Seiten die Wärme unterschiedlich stark aufnehmende Farben besitzt - schwarz und weiß. Da ein Ballon normalerweise sanft rotiert, erweist sich das Konzept als nicht so einfach umsetzbar. Seine ganze Wirkung entfaltet es ja nur solange die dunkle Seite der Sonne zugewandt ist.

Ballon Humaine

Ballon Humaine

2001 wird in Kolumbien erstmals die ,Fiesta del Globo Solar’ gefeiert. Initiator ist Alejandro Uribe aus Medellin, der sich schon seit 1997 mit Solar-Ballons beschäftigt. Bei der Fieste geht es neben dem technischen auch um den künstlerischen Aspekt. Die von sonnenerwärmter Luft aufsteigenden Objekte zeichnen sich durch gewagte Konstruktionen aus, denen nur die Phantasie Grenzen setzt. Dabei zeigt sich schnell, daß die Außenhülle auch farbig sein kann – solange die Sonne nur stark genug scheint.

Gitarren und Schnecken, Wale und UFOs, ein Space-Shuttle und Riesenkraken steigen daraufhin solarerwärmt langsam in die Luft. Die 2002 gezeigte Heuschrecke von Uribe, dessen Arbeiten unter dem Künstlerlabel BIMANA bekannt sind, ist jedenfalls weit harmloser als diejenigen aus der Wirtschaftswelt...

2002 startet Pierre Benhaiem mit einem rechteckig geformten Solar-Ballon von 400 m3 Volumen. Mit kleineren Modellen hatte er schon zuvor Luftbildaufnahmen produziert, außerdem beschäftigt er sich mit innovativen Konzepten der Windenergie (s.d.).

Vom September 2003 stammt das Photo mit den drei kleineren Solar-Ballons, auf denen man deutlich die unterschiedlichen Bautechniken erkennt. Neben ihnen werden während dem Coupe Icare 2003 in Saint Hilaire du Touvet aber auch größere Modelle vorgeführt, die eine Person befördern können.

Verschiedene Solarballone von 2003

Solarballone (2003)

Ein weiterer Franzose, Robert Campesat aus Limoux, beginnt 2005 seine Versuche mit Solar-Ballons in Form kleiner Luftschiffe. Sein viertes Modell von 2006 ist bereits 5 m lang, hat einen Durchmesser von 1,4 m und ein Volumen von 5,1 m3. Bislang scheint er sich jedoch noch nicht mit entsprechenden Antrieben zu beschäftigen – und die ‚Lotte’ (s.u.) ist auch von sonst noch niemanden übertroffen worden.

Eine weitere Gruppe firmiert zeitweise unter dem Namen solar-balloons.com. Hier wird 2006 ein tetraederförmiger Solarballon präsentiert, der aus konventionellen Mülltüten hergestellt ist. Die US-Gruppe schickt diese Objekte mit Herkunftsangaben und Antwortkarten los und dokumentiert bis zu 1.250 km weite Fahrten – in weniger als 6 Stunden! Außerdem präsentieren sie Bauanleitungen, mit denen man mittels 20 Tüten eine Digitalkamera luftbildfähig macht.

Eine detaillierte Bauanleitung in Deutsch für einen Modell-Solarballon mit einem Durchmesser von 4,8 m und einem Gewicht von 1 kg findet sich auf der Seite von Frank Rebenich aus Langen.

Tetraeder-Solarballon

Tetraeder-Solarballon

Im September 2006 führt auch die rumänische Luft- und Raumfahrt-NGO Aeronautics and Cosmonautics Romanian Association (ARCA), einen Versuch mit einem riesigen Solar-Ballon durch.

Bei dem Programm namens Stabilo geht es um die Nutzung von Solarenergie, um eine Rakete in eine Höhe von 22.000 m zu bringen, von wo aus sie dann starten und ihre Zielhöhe von 100 km erreichen soll. Der Ballon hat ein Volumen von 350.000 m3, seine Kunststoff-Folie ist 15 Mikron dünn, und für den Aufstieg auf 22 km Höhe braucht er 1 h 35 min.

Bei einem weiteren Versuch im Dezember 2006 wird eine Passagierkapsel auf eine Höhe von 14.700 m befördert, die anschließend am Fallschirm wieder sanft landet.

2008 beteiligt sich die ARCA als eines von 22 internationalen Teams an dem Google Lunar X Prize, bei dem 30 Mio. $ demjenigen winken, der spätestens bis Ende 2014 einen Roboter zum Mond befördert, welcher sich 500 m weit auf dessen Oberfläche voranbewegt und dabei Fotos zur Erde sendet.

Das rumänische Team setzt dabei auf einen Ballon-Start und führt im November 2009 mit Unterstützung der Marine einen ersten Versuch im Schwarzen Meer durch, bei dem sich jedoch die Ballonleinen verheddern. Ein zweiter Versuch im August 2010 muß ebenfalls abgebrochen werden, weil die Ballonhülle reißt.

ARCA Test 2009

ARCA Test (2009)

Eigentlich soll der Solar-Ballon eine dreistufige Rakete bis in eine Höhe von 18 km anheben, von wo aus sie dann in den niederen Erdorbit startet.

Anfang Oktober 2010 klappt es endlich, wobei allerdings ein mit Helium gefüllter Ballon verwendet wird. In 14 km Höhe wird die darunter hängende Rakete gestartet und erreicht nach 30 Sekunden Brenndauer eine Höhe von 40 km. Ich werde die Entwicklung weiter dokumentieren, falls das Team wieder mit Solar-Ballons arbeiten sollte.

Eine völlig andere Form von Solar-Ballons bildet das Konzept der Desert Blooms, ein Designbeitrag für den 2010 Land Art Generator Initiative Wettbewerb. Dutzende großer mit Helium gefüllter Ballons sollen über einem Gelände zwischen den Inseln Yas und Saadiyat im Arabischen Golf schweben und die Sonnenenergie für mindestens 15.000 Haushalte einfangen, indem sie tagsüber der Sonne folgen, während sie Nachts wieder zu Boden sinken.

Solar Jump

Solar Jump

Jede aus den Dünen sprießende ‚Blüte’ ist ein gasgefüllter Ballon in Form eines modular aufgebauten, leichten und kostengünstigen Solarkollektors, der mit Kabeln gegen den Winddruck verspannt ist. Hauptsächlich besteht er aus einer asymmetrisch-prismatischen Polymer-Konzentratorfläche, welche alle einfallenden Strahlen auf einen unten stationär installierten Solar-Empfänger konzentriert.

Auf dem 9. Dolomiti Balloonfestival in Toblach/Dobbiaco, Südtirol, wird es im Januar 2011 auch den Solar Jump geben – bei dem Einzelpersonen von einem Solarballon in die Höhe gehievt werden, was sicherlich viel Spaß macht!


Mit großer Spannung warte ich nun (Ende 2014) auf den Solarballon Sunny Rocket der Bremer Firma Hot Air Craft von Michael Conrath, die eine ganze Reihe verschiedener und verschieden großer Modelle anbietet, deren Preise zwischen 6 € und 200 € liegen.

Im nächsten Frühling will ich damit einige Versuche durchführen, über die ich dann natürlich berichten werden...

Derweil plant Conrath – mit ein paar sinnvollen Zwischenstufen, wie u.a. großen Solarballons für Personenbeförderung – auch ein Solar-Luftschiff, für das er einen Flossenantrieb ins Auge gefaßt hat, da Flossen deutlich effektiver sind als Propeller.


Was auch eine gute Überleitung ist, da es nun mit eben diesen Solar-Luftschiffen weiter geht.

Bislang nicht verifizieren ließen sich Angeben über einen Flugkörper namens Solar Egg der Tokyo-Sanyo Co. Ltd. USA, der im Jahr 1992 mit 10 km/h geflogen sein soll. Das Gerät trug eine Kamera und war mit Solarzellen bestückt, über die allerdings nur bekannt ist, daß sei ein Leistungsgewicht von 200 mW/g besessen haben sollen.


Das erste echte Solar-Kleinluftschiff in Deutschland ist die Lotte, die unter der Leitung von Prof. Bernd Kröplin ab 1993 an der Universität Stuttgart entwickelt wird. Das ferngelenkte Luftschiff ist 15,6 m lang, hat einen größten Durchmesser von 4 m, und besitzt ein Volumen von 109 m³. Die Spannweite der Leitwerke beträgt 4,4 m. Da die Steuerung und die Instrumente im Inneren des Auftriebskörpers untergebracht sind wird keine Gondel installiert. Die Gesamtmasse beläuft sich auf 98 kg.

Der Antrieb erfolgt über einen Heckpropeller mit einem Durchmesser von 1,7 m, dessen 1,5 kW Motor von einem auf der Oberseite des Luftschiffes angebrachten 7 m2 großen Solargenerator mit 1.123 W Maximalleistung gespeist wird. Außerdem kann ein Akkumulator (1 kWh, 20 kg) eingesetzt werden. Die Höchstgeschwindigkeit beträgt 46 km/h und die maximale Flughöhe 1.000 m.

Nach ihrer Fertigstellung wird die Lotte1993 auf der Internationalen Gartenschau in Stuttgart vorgestellt, wo auch viele Flüge für die Zulassung beim Luftfahrtbundesamt (LBA) absolviert werden, die schließlich mit der Kennung D-UISD erfolgt.

Solarluftschiff Lotte mit dem Zeppelin NT im Hintergrund

Lotte & Zeppelin NT

Außerdem nimmt das Luftschiff ‚ehrenhalber’ an der World Solar Challenge in Australien teil. Ab 1994 und bis einschließlich 2002 führt die Lotte eine Vielzahl von Luftschadstoff- und anderen Messflügen durch. Auch zum ersten Spatenstich beim Bau der CargoLifter-Werfthalle in Brand am 01.05.1998 ist sie dabei – ebenso während der Festivitäten ‚100 Jahre Zeppelin’ am 02.07.2000 in Friedrichshafen. Kröplin gründet später die Firma TAO Technologies GmbH (s.u.).

Im Vorfeld der Verhüllung des Reichstages im Juni/Juli 1995 bemühe ich mich, dieses Luftschiff nach Berlin zu holen. Im Rahmen meines Projektes Airship over the wrapped Reichstag, für dessen Durchführung ich von Christo und Jeanne Claude ‚Freie Hand’ bekommen hatte, soll das kleine, ferngelenkte Solarluftschiff ein größeres empfangen, das mit Passagieren vom Flughafen Tempelhof aus herangefahren kommt, um es bei seinen Runden über dem imposanten und wunderschön verpackten Gebäude zu begleiten – ganz sicher auch zur besonderen Freude aller Kinder.

Leider läßt sich das Projekt nicht realisieren, da neben der Lotte auch die beiden anderen ins Auge gefassten Luftschiffe mit Passagiertransport-Genehmigung nur wenige Wochen vor dem Event Hüllenrisse bekommen und ausfallen. Was ein äußerst seltsames Zusammentreffen von Zufällen ist.

Dies ist jedoch eine andere Geschichte, die ich deshalb auch woanders erzählen werde...


An dem Airborne World Scholar Challenge Race 1996 will auch ein Team von 20 Studenten der University of Virginia unter der Leitung von George Weinman teilnehmen, das ein eigenes Luftschiff gebaut hat (Project SECAP), über das allerdings keine Informationen zu finden sind – ebenso wenig wie zu dem Rennen selbst. Überhaupt muß ich im Herbst 2006 feststellen, daß viele der Seiten, die ich mir in den vergangenen zwei Jahren markiert hatte um sie für diese Recherche zu nutzen, inzwischen nicht mehr erreichbar sind.


1997
wird von dem Unternehmen Advanced Aircraft Hybrid in Eugene, Oregon, ein ferngesteuertes elektrisch betriebenes Kleinluftschiff Wasp Drone speziell für die Luftbildfotografie entwickelt. Es ist mit einem 12 V System mit 400 W Leistung ausgestattet. Die Firma konzipiert auch andere Luftschiffe sowie Bodeneffekt-Vehikel.


1998
erscheint in der Cambridge Aerospace Serie das von dem arabischstämmigen Ingenieur Gabriel A. Khoury zusammen mit J. David Gillett herausgegebene Buch Airship Technology. Khoury hatte schon im November 1986 unter dem Titel ,The Case for a Solar Powered Airship’ ein entsprechendes Konzept für ein Luftschiff mit Solarantrieb vorgelegt – von einer Umsetzung ist mir allerdings nichts bekannt.

Ein ähnliches Konzept liegt dem (undatierten) Projekt Sunship zugrunde, mit dem es gelingen soll die Welt mittels Solarenergie zu umfliegen. Es handelt sich um den Plan für ein Starrluftschiff, in dem drei Personen auch den Atlantischen bzw. den Pazifischen Ozean in niedriger Höhe überqueren können. Bei größeren Höhen können zwei Personen mitfliegen, und sehr große Höhen erreicht das Schiff mit nur einer Person an Bord. Das Konzept der Entwickler des Solarseglers Sunseeker (s.o.) sieht vor, daß das Sunship auch den bisherigen Höhenrekord für Luftschiffe von 24.000 Fuß brechen soll.


An der Technologie, Luftschiffe in 20 km Höhe schweben zu lassen um teure Kommunikations-Satelliten zu ersetzen, arbeiten verschiedene Unternehmen. Die US-Firma Sky Station International Inc. in Washington, DC, erhält schon 1998 die entsprechenden Genehmigungen der US-Telekombehörde FCC, um eine solarbetriebene, geostationäre Leichter-als-Luft-Plattform für drahtlose Telekommunikationsdienstleistungen zu entwickeln und einzusetzen. Geplant ist eine Stationierung in 21 km Höhe über weltweit mindesten 250 Großstädten.

Die 157 m langen Blimps mit einem Durchmesser von 62 m sollen neben der Photovoltaik auch Brennstoffzellen an Bord haben. Später ist über die Firma und ihr Projekt allerdings nichts mehr zu finden.


Das US-Unternehmen Lockheed Martin (NE&SS-Akron) erhält schon 1928 den ersten Auftrag der US-Navy für den Bau eines Starr-Luftschiffes, der USS Akron. Seit jener Zeit hat Lockheed Martin mehr als 300 Luftschiffe und mehrere Tausend Blimps gebaut. Im September 2003 unterzeichnen die Lockheed Martin Naval Electronics & Surveillance Systems in Akron, Ohio, einen Vertrag zur Entwicklung eines Luftschiffs für große Flughöhen (High Altitude Airship HAA). Als unbemannte Solar-Luftschiffe sollen sie z.B. für den Grenzschutz eingesetzt werden – für einen Zeitraum von mindestens einem Monat und in einer Höhe von mehr als 21 km über dem Meeresspiegel. Dabei kann jedes der ‚fliegenden Augen’ eine Fläche mit einem Durchmesser von knapp 1.000 km kontrollieren.

HAA von Lockheed-Martin Grafik

HAA von Lockheed-Martin
(Grafik)

Der Prototyp soll beweisen, daß ein derartiges Luftschiff langfristig und quasi-geostationär in der Stratosphäre fliegen und als Plattform für militärische o.a. Nutzlasten dienen kann. Nach der 1. Phase, vermutlich eine Machbarkeitsstudie, wird die 2. Phase (Oktober 2003 bis Juni 2004) mit 40 Mio. $ finanziert. Mit dabei ist die Firma Iowa ThinFilm Technologies Inc., welche die Dünnschicht-Solarzellen für die Luftschiffe liefert.

Anschließend soll in einer 3. Phase der Prototyp gebaut werden, wofür 50 Mio. $ bereitstehen (Juni 2004 bis Juli 2006). Für die anschließende Evaluationsphase 4 werden weitere 9 Mio. $ veranschlagt (August 2006 bis Juli 2008).

Die HAA-Luftschiffe sollen 152 m lang werden, bei einem Durchmesser von 46 m. Sie sind in der Lage Nutzlasten von bis zu 1,8 t zu befördern. Die Energieversorgung der elektrischen Propeller, welche der ‚festen’ Positionierung des Luftschiffes dienen, erfolgt durch Solar- und Brennstoffzellen, außerdem kann die Nutzlast mit mindestens 75 kW Strom versorgt werden.

Tatsächlich startet Anfang 2006 das insgeheim von Lockheed-Martin gebaute experimentelle Hybrid-Luftschiff P-791 zu ersten Testflügen auf der Palmdale Air Force Plant 42. Hybrid wird es deshalb genannt, weil es ein aerostatisches/aerodynamisches Luftschiff ist, bei dem ein Teil des Gewichts und der Nutzlast durch aerostatischen, der Rest durch aerodynamischen Auftrieb gestützt wird. Die vier dunklen Kreise unterhalb des dreigliedrigen Flugkörpers sind übrigens Landekissen. Genauere Details über das Design des Luftfahrzeuges gibt das Unternehmen nicht bekannt, es scheint jedoch sehr dem Design des SkyCat-Luftschiffs zu ähneln, das erfolglos von der ehemaligen britischen Firma Advanced Technologies Group Ltd. (ATG) in Cardington entwickelt worden ist.

Dort hatte man im Jahr 2000 ein Modell im Maßstab 1:16 gebaut und geflogen, das SkyKitten genannt wurde. Auf dem hier abgebildeten Foto wird gerade eine Landung auf dem Wasser versucht.

Skykitten Test

SkyKitten Test

Später taucht das Projekt bei der assoziierten Firma World SkyCat Ltd. in Wytham, Oxford, wieder auf, wo man an Modellen mit einer Zuladung von 20, 220 bzw. 1.000 Tonnen arbeitet – wobei sich diese Arbeit allerdings auf eine Vielzahl von Zeichnungen beschränkt, mit der die Werbeprospekte des Unternehmens gefüllt werden. Eigentlich soll das erste, 81 m lange SkyCat-20 Luftschiff bereits 2002 in Betrieb gehen, doch später wird der Erstflug auf Ende 2008 verschoben – aber auch dieser Termin kann nicht verwirklicht werden. Der Bau eines 185 m langen SkyCat-220 Luftschiffs soll 2008 bereit im Gange sein, ebenso sei man mit den Entwürfen für das SkyCat-1000 beschäftigt. Die SkyCat-Technologien soll in den USA auch durch die 2003 gegründete Firma Hybrid Aircraft Corp. (HAC) mit Sitz nahe Albuquerque, New Mexico, weiterentwickelt werden, hier unter dem Namen SkyFreighter 50.

Da bei diesem Projekten jedoch nirgendwo die Solartechnik mit einbezogen wird, werde ich nicht weiter darauf eingehen.

Anfang 2007 gibt das U.S. Army Space and Missile Defense Command bekannt, daß man den Bau von insgesamt 11 HAA-Luftschiffen beabsichtigt, von denen das erste 2009 in Dienst gestellt werden soll.

Tatsächlich geht es jedoch nicht ganz so schnell, und die nächste Meldung stammt vom April 2009, als Lockheed Martin von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) einen 400 Mio. $ Vertrag bekommt, um ein HAA-Luftschiff im Maßstab 1:3 zu entwickeln, bauen und zu testen.

Das Schiff mit einem Volumen von gut 14.000 m3 soll 73 m lang werden und einen Durchmesser von 21 m haben. Dünnschicht-Solarzellen mit 15 kW sollen die Nutzlast versorgen, tagsüber eine 40 kWh Lithium-Ionen-Batterie für die Nachtstunden aufladen sowie die vollelektrischen 2 kW Antriebe mit Strom beliefern. Das Luftschiff soll auf der Luftwerft in Akron gebaut werden und nach seinem Start mehr als 10 Jahre in der Luft bleiben.

Im März 2010 folgen Meldungen über das DARPA-Projekt eines hoch fliegenden, vollautomatischen Luftschiffes als Aufklärungs- und Überwachungsplattform, die in der Lage ist in der Nähe von Konfliktzonen über dem Horizont zu schweben und Echtzeit Radar-Daten an die Truppen und ihre ‚smart weapons’ zu übermitteln. Genannt wird das System Integrated Sensor Is the Structure (ISIS), daran gearbeitet wird seit 2004. Das mit Helium befüllte Luftschiff von etwa 140 m Länge soll von einer Bodenstation in den USA aus starten und innerhalb von 10 Tagen selbständig jeden beliebigen Punkt auf dem Planeten erreichen können. Auf seiner Einsatzhöhe von rund 10 km Höhe wäre ISIS sicher vor den meisten bodengestützten Raketenangriffen.

Das Luftschiff nimmt Sonnenenergie auf um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten, die in der Nacht in einer Brennstoffzelle wieder zur Erzeugung elektrischer Energie dienen. Die Entwickler schätzen, daß das Luftschiff um 2014 zu seinem Erstflug aufbrechen könnte.


An einem ähnlichen Konzept arbeit man seit 2005 auch an der Johns Hopkins University. Die grundlegende Technologie wird anhand eines kleinen Modell-Blimps nachgewiesen – doch das Gesamtkonzept geht wesentlich weiter: Die Luftschiffe namens High Altitude Reconnaissance Vehicle (HARVe) sollen nämlich von Schiffen, U-Booten oder Flugzeugen aus mit Raketen in die Stratosphäre geschossen werden, wo sie sich selbst entfalten, mit Gas auffüllen und dann mittels ihrer Solarzellen den Betrieb aufnehmen.

Auch an der Purdue University arbeiten 10 Forscher an einem HAA-Konzept, das auf einer Energieversorgung durch Solar- und Brennstoffzellen basiert. Sie werden vom U.S. Air Force Research Laboratory finanziert.


Die RTI International gilt als die zweitgrößte unabhängige Non-Profit-Forschungsorganisation der USA und ist im Research Triangle Park, North Carolina, beheimatet. Gemeinsam mit ihren Partnern Applied EM, der International Communications Group und TechSphere Systems International testet die Organisation bereits Mitte 2006 den Einsatz ‚aufgemalter’ Antennen auf Luftschiffen. TechSphere arbeitet wiederum mit dem Unternehmen 21st Century Airships zusammen, um ebenfalls ein HAA-Luftschiff zu entwickeln. Bei dem Testflug kommt ein SA-60-Luftschiff zum Einsatz.


Ein solar-unterstütztes, elektrisch betriebenes Luftschiff läßt sich im Dezember 2005 der Amerikaner Daniel Geery aus Salt Lake City, Utah, patentieren (Nr. 7.303.166, erteilt 2007). Sein ferngesteuertes Kleinmodell Hyperblimp ist vollständig transparent, hat ihn 1.000 $ gekostet und fährt ausschließlich mittels PV-Paneelen, Batterien werden nicht mitgeführt.

Die Firma Hyperblimp LLC bietet 2009 zwei Modelle an, den HB30 (Länge 8,84 m, Durchmesser 76,2 cm, Höchstgeschwindigkeit 40 km/h, Tragfähigkeit 1,5 kg, Reichweite 3,2 km, Preis 5.000 $), sowie den HB50 (Länge 14,93 m, Durchmesser 1,25 m, Höchstgeschwindigkeit 65 km/h, Tragfähigkeit 4,5 kg, Reichweite 8 km, Preis 14.000 $).Von einem Solarbetrieb ist allerdings nichts mehr zu lesen.


In Europa endet im Oktober 2006 ein dreijähriges, EU-finanziertes Forschungsvorhaben, das von der britischen University of York geleitet worden ist. Bei dem CAPANINA-Projekt werden Ballone, Luftschiffe oder unbemannte, solarbetriebene Flugzeuge als high-altitude platforms (HAPs) eingesetzt – als Relais für drahtlose und optische Kommunikationssysteme.


Im Juni 2006 stellt der aus dem Iran stammende Unternehmer Kamal Alavi gemeinsam mit einem Team von mehr als 50 Schweizer Wissenschaftlern der ETH Zürich und Lausanne, der Universität Neuenburg sowie der Eidgenössischen Materialprüfungsanstalt (EMPA) eine fliegende Handyantenne vor, die aus einem 60 m langen Luftschiff mit GPS-Autopilot und Geräte-Plattform besteht, an dem ein kleines Flugzeug angekoppelt ist.

Solarbetriebener Relais-Blimp X-Station Grafik

X-Station (Grafik)

Die X-Station von Alavis Firma StratXX SA soll in 21 km Höhe stationiert werden, ihre Energie bezieht sie aus Solarpanelen, und die Systemkosten für eine Station werden auf 20 bis 25 Mio. € geschätzt. Dies ist nur ein Bruchteil dessen, was vergleichsweise ein Satellit kosten würde. Und während für Satelliten das 30- bis 40-fache zu zahlen ist und man oft jahrelang auf den Start warten muß, kann eine X-Station mit nur geringem zeitlichen Vorlauf und von fast jedem beliebigen Punkt aus gestartet werden.

Bei einem in der Summe gerechneten Stückpreis von 200.000 € sind sogar Mobilfunkmasten teurer. Außerdem reicht eine einzige Station aus, um z.B. die ganze Schweiz zu versorgen – womit auch alle bisherigen Mobilfunkmasten wegfallen könnten. Für das gesamte Europa genügen ca. 20 dieser Kommunikations-Luftschiffe.

Die Idee an sich ist nicht neu, japanische und amerikanische Firmen haben es auch schon mit Luftschiff-Designs versucht, doch die Materialien erwiesen sich als zu schwer, bei Hightech-Zeppelinen bis zu 300 g/m2. Alavis Idee zur Gewichtsoptimierung auf 20 bis 30 g/m2 ist die Kombination der bekannten High-Altitude-Ballontechnologie, wie sie schon seit den 1960er Jahren für meteorologische Forschungsballons angewandt wird, mit einem darunter montierten unbemannten Kleinflugzeug, das mit seinem solargetriebenen Propeller dafür sorgt, daß die X-Station geostationär bleibt – was auch einfach ist, da die Windgeschwindigkeiten in der Stratosphäre relativ niedrig sind und die Windkraft aufgrund der wesentlich geringeren Luftdichte auch entsprechend schwächer ist.

Ende September 2006 bestätigt ein erfolgreicher Testlauf die Funktionsfähigkeit der Near-Space-Technologie, als eine Plattform für Kommunikations-, Sende- und Überwachungsanwendungen an einem Stratosphärenballon innerhalb weniger Stunden auf die Einsatzhöhe von 21 km aufsteigt.

Im März 2007 tritt die StratXX dem 2005 gegründeten Global Digital Solidarity Fund bei, der die Millenniums-Entwicklungsziele erreichen will, zu denen auch der Zugang zum Kommunikationsnetzwerk gehört. Der erste Prototyp soll eigentlich schon Mitte 2007 gestartet werden, doch technische Probleme verzögern dies. Besondere Herausforderungen bilden die Plazierung der Station in 21 km Höhe, die Stabilität ihrer geostationären Position und Schwierigkeiten mit der Energieversorgung und mit Temperaturdifferenzen.

Im Dezember 2008 soll im Iran ein 30 m langer Prototyp getestet worden sein. Dabei handelt es sich um eines der kleineren Luftschiffe der Produktfamilie, welche unter den Namen X-Tower, PhoeniXX und X-BUGS angeboten werden.

Im Februar 2009 erklärt Alavi in der Presse, daß sein Unternehmen für die 1 Mio. SFr. teuren X-Tower-Zeppeline bereits Bestellungen in Höhe von 50 Mio. SFr vorliegen habe, die in Zusammenarbeit mit der iranischen Telekom zustande gekommen sind. Zu den Käufern sollen Nigeria und andere afrikanische Staaten gehören.

X-Tower

X-Tower

Seit Anfang 2010 firmiert das inzwischen in Kaegiswil beheimatete Unternehmen unter dem Namen StratXX near space technology AG (neben der Firma StratXX Holding AG), von aktuellen technischen Entwicklungsschritten ist jedoch nicht viel zu finden. Auch eine  geplante Markteinführung ab 2009 resp. die Vorführung eines Prototypen scheint bislang nicht erfolgt zu sein.

Statt dessen beschäftigt man sich im Herbst 2010 mit der Adaption des für die Hülle entwickelten, patentierten superleichten und superstarken Materials – für schußsichere Westen.

Interessant ist auch ein Presseartikel vom Dezember 2010, demzufolge die StratXX unmittelbar vor der Auslieferung einer größeren Anzahl Hightech-Zeppeline in den Iran steht, wo sie als Plattformen für schwebende Mobilfunk-Antennen eingesetzt werden sollen.

Im November hatte das Unternehmen mehrfach seine 15,5 m langen und 5,5 m dicken Zeppeline in den Schweizer Nachthimmel steigen lassen – zumeist zwischen 22.00 Uhr und Mitternacht. Für die Paris Air Show 2011 plant Stratxx einen großen Rollout seiner Produkte. Von der Solerenergie scheint man erst einmal weggekommen zu sein.


Die in Pembroke Pines, Florida, beheimatete Sanswire Networks LLC, eine Tochter der GlobeTel Communications Corp., stellt 2004 das Konzept eines solarbetriebenen Stratosphären-Luftschiffs vor – und hat auch gleich einen passenden Namen dafür, den sie sich natürlich schützen läßt: Der Stratellite ist ein 75 m langes und starres Leichter-als-Luft Vehikel, das für den unbemannten Betrieb in Höhen bis zu 20.000 m und als Alternative zu Satelliten konstruiert werden soll. Der Antrieb soll mittels Elektromotoren erfolgen, die durch Photozellen der Firma Iowa Thin Film mit Strom versorgt werden.

Das Unternehmen führt in Atlanta Versuche mit einem eher provisorischen kugelförmigen Flugkörper durch, bei dem jedoch keine Solartechnik zum Einsatz kommt.

Stratellite Test (2004)

Stratellite Test (2004)

Gemeinsam mit der Firma Proton Energy Systems, die mittels einer Membranentechnologie Wasserstoff produziert, wird an speziellen Brennstoffzellen zum Einsatz auf den Luftschiffen gearbeitet.

Im April 2005 wird das Fluggerät Sanswire 1 erstmals öffentlich vorgestellt, im Oktober das Modell Sanswire 2A, eine verlängerte Version des Vorgängers, mit der jedoch keinerlei Flugtests durchgeführt werden. Später wird der Prototyp demontiert und der untaugliche Aluminiumrahmen als Schrott verkauft.

Verschiedene Anleger behaupten große Summen verloren zu haben, die sie in das Unternehmen investiert hatten. Im Zuge einer Sammelklage gegen die Muttergesellschaft aufgrund früherer Vereinbarungen mit der Firma Internafta mit Sitz in Rußland und dem Leerverkauf von Wertpapieren wird auch behauptet, daß das Unternehmen und seine Produkte niemals erfolgreich sein werden.

2006, unter einer neuen Unternehmensführung, wird die dritte Version des Stratellite-Luftschiffes gebaut, als Demonstrationsmodell für ein halbstarres Fluggerät, das in Höhen von 9.000 m operieren soll.

Das ästhetisch und aerodynamisch beeindruckende Teil, das allerdings nicht flugfähig ist, wird 2007 demontiert und an den Entwicklungspartner in Stuttgart versandt.

Außerdem firmiert das Unternehmen ab 2007 unter dem Namen Sanswire Corp. mit Hauptsitz in Fort Lauderdale, Florida.

Sanswire Test

Sanswire Test

Ab 2008 führt die Firma Demonstrationsflüge mit einem kleinen Prototyp durch, aus dem später einmal ein richtiges Luftschiff namens STS 111 werden soll; Partner sind die NASA und die Air Force.

Im Juni wird gemeinsam mit der TAO Technologies GmbH von Dr. Bernd-Helmut Kröplin das Joint-Venture Sanswire-TAO Corp. gegründet, um zusammen Luftschiffe für niedrige, mittlere und große Höhen zu entwickeln und zu testen.

Zur Erinnerung: Kröplin und sein Team an der Universität Stuttgart waren für die Idee, eine neue Ära der Telekommunikation mit schwebende Höhenplattformen einzuläuten, bereits 1999 mit dem 1,5 Mio. DM schweren Körber-Preis für die Europäische Wissenschaft ausgezeichnet worden.

Inzwischen favorisieren die Stuttgarter Forscher ein modulares Luftschiffkonzept: Sie verbinden mehrere mit Helium gefüllte und mit Propellerantrieben bestückte Ballons zu einer elastischen Gliederkette, genannt Airchain oder SkyDragon.

Sanswire-TAO SAS-51

Sanswire-TAO SAS-51

Die Firma TAO stellt den Prototyp des patentierten SkyDragon erstmals 2005 auf der EuroMold vor, und insgesamt werden mehr als 30 Prototypen der segmentierten Stratosphären-Luftschlange gebaut und getestet, die größte ist 70 m lang. Bis 2010 will man in eine Höhe von 20.000 m vorstoßen.

Auch die Lotte (s.o.) gelangt jetzt zu einer Wiedergeburt in Form eines patentierten, autonomen solarbetriebenen Luftschiffs von Sanswire-TAO mit der Bezeichnung SAS-51.

Im Oktober 2008 wird eine Vereinbarung zwischen der Sanswire-TAO, der Global Telesat Corp. (GTC) und der Globalstar Inc. geschlossen, um das globale Satellitensystem der Firmen für Testzwecke zu nutzen.

Im April 2009 erhält Sanswire-TAO eine Finanzierung in Höhe von 1,4 Mio. $ durch GTC, um mit dem Bau des ersten kommerziellen STS-111 Luftschiffes zu beginnen.

Dabei handelt es sich um ein 34 m langes und 3,4 m durchmessendes segmentiertes Fluggerät für eine Flughöhe von 15.000 Fuß, das einfach verpackt und transportierbar schnell auf seine Standard-Größe entfaltet und startklar gemacht werden kann.

Sanswire STS 111 Grafik

Sanswire STS 111 Design
(Grafik)

Die ersten Testflüge erfolgen im Juni, wobei der Antrieb durch einen Gasmotor erfolgt – von Solarenergie ist erst einmal nichts mehr zu hören.

GTC schießt im Dezember 2009 weitere 800.000 $ zu, um die Entwicklung des STS-111 fortzuführen, und im April 2010 übernimmt GTC für 250.000 $ die Hälfte der Rechte an dem SkySat Luftschiff für mittlere Höhen, das von Sanswire-TAO entwickelt wird.


Im Oktober 2006 wird in den Blogs das Konzept des kalifornischen Unternehmens Worldwide Aeros Corp. in Montebello verbreitet, dessen ‚ökologisches Großraumluftschiff’ das erste werden soll, das rein elektrisch betrieben wird.

Das 250 m lange Fluggerät mit der Form eines Wals soll bis zu 180 Passagieren eine luxuriöse Kreuzfahrt-Atmosphäre bieten oder bis zu 20 Lastwagenladungen an Waren transportieren können. Die sehr leichte Außenhülle des Aeroscraft Luftschiffs (auch: Aeros ML Hybrid Aircraft oder Turtle Airship) wird dabei aus einem festen Material wie Kohlefaser- und anderen Verbundwerkstoffen bestehen, das mit Aluminium, Titanium oder Edelstahl verstärkt die innere Hülle mit dem Helium schützt.

Die Außenfläche des Luftschiffs soll mit amorphen Dünnschicht-Solarzellen laminiert werden, um den Strom für die Elektromotoren zu produzieren. Als Reserveenergie wird ein mit Biodiesel betriebener Generator mitgeführt. Die geplanten Solarluftschiffe sollen bis zu 280 km/h (andere Quellen: 320 km/h) schnell sein.

Die Worldwide Aeros von Igor Pasternak gilt als das international führende Unternehmen, das FAA-zertifizierte Luftfahrzeuge der ‚leichter-als-Luft’ Kategorie herstellt, angefangen von unstarren Aeros 40D Sky Dragon Luftschiffen über Hochleistungs-Fesselballone bis zu dem neuen, starren Aeroscraft.

2003 wird ein Vertrag mit der U.S. Missile Defense Agency (MDA) geschlossen, um ein High Altitude Airship (HAA) zu entwickeln, während im April 2004 das Walrus-Programm der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) startet, bei dem es um die Machbarkeitsstudie eines riesigen Fluggerätes geht, das 500 - 1.000 Tonnen militärische Nutzlast innerhalb von 4 Tagen über 6.000 Meilen transportieren kann. Die Passagier-Kabine liegt übrigens innerhalb des Aeroscraft, wodurch eine Fläche von 500 m2 zur Verfügung steht, die für den Frachttransport, Tourismus oder für Konferenzen genutzt werden kann.

Mitte 2005 werden im Rahmen des Walrus-Programms seitens der DARPA zwei Entwicklungsaufträge vergeben: die Lockheed Martin Corp. erhält knapp 3 Mio. $, während Aeros sogar knapp 3,3 Mio. $ bekommt. Auf der National Business Aviation Association (NBAA) show im Oktober 2007 in Atlanta, Georgia, wird ein Modell im Maßstab 1:48 vorgestellt, und Ende 2007 wird bekannt, daß die Firma für den Bau des Aeroscraft von der DARPA eine Anschubfinanzierung von 3,2 Mio. $ erhalten hat. Anfang 2008 kündigt das Unternehmen den Bau eines 64 m (o. 70 m?) langen Prototyps ML866 an, der im Laufe des Jahres als Testmodell an den Start gehen soll.

Im Gegensatz zu früheren Luftschiffen soll das Fluggerät kein wertvolles Helium mehr ablassen und keinen nutzlosen Ballast mehr mitschleppen müssen. Statt dessen wird das Traggas an Bord komprimiert, was je nach Veränderung einer Gewichtszunahme um bis zu 2.300 kg entspricht. Für den Start wird das komprimierte Helium wieder in seinen gasförmigen Zustand versetzt, womit das Luftschiff wieder flugfähig wird. Die Komprimierungstechnik namens Control of Static Heaviness (COSH) System wird ab Mitte 2008 in einem kleinen Prall-Luftschiff, einem Aeros 40D, im Flug erprobt werden.

In einer Pressemeldung vom Juli 2008 wird angekündigt, daß ein Prototyp des Luftschiffes in Singapur bereits in Bau ist. Die ersten Testfahrten sollen noch im Laufe des Jahres stattfinden – und für 2009 wird bereits eine Weltumrundung geplant... was sich jedoch bald als ‚heiße Luft’ erweist. Später hoffen die Entwickler, das erste Aeroscraft erstmals 2010 in die Luft zu bringen; der Preis soll unterhalb von 40 Mio. $ liegen.

Beim Update dieses Kapitels Ende 2010 ist davon noch nichts zu sehen – und auch das Thema Solarenergie scheint im Laufe der vergangenen Jahre vom Tisch gekommen zu sein, denn es wird in nicht einer einzigen Presseerklärung mehr erwähnt.

Turtle Airship Design Modell

Turtle Airship Design
(Modell)

Im April 2008 schlägt allerdings Darrell Campbell eine Weltumrundung mit einem solaren Luftschiff vor. Er ist der Designer des Starrschalen-Turtle Airship – und seine seit Anfang der 1980er bestehende und folgerichtig Turtle Airships benannte Firma hat drei Standorte: im spanischen Valencia, im russischen Sankt Petersburg und in Santa Fe, USA. Die Internetpräsenz des Unternehmens ist allerdings äußerst bescheiden – ganz im Gegensatz zu den dort (2009?) gemachten Ankündigungen (im Originalton):

Turtle Airships will make a demonstration around-the-world flight of a solar powered airship in 2011 (and) will change the world aviation industry with 200 mph solar powered airships. Turtle Airships plans to invest over $ 200 Million in airship manufacturing plants and airship operations by 2012; with an expected public offering to raise over $3 Billion scheduled for 2015.“

Sehr eindeutig ist dagegen, daß Campbell ein vehementer Gegner der Blimps ist, also der unstarren Kleinluftschiffe, die zumeist für Werbezwecke gebaut werden. Und daß er auch den Einsatz seiner fliegenden Schildkröten für militärische Zwecke befürwortet.

Ansonsten gibt es seitens Turtle Airships nur wenige technische Details zu erfahren: Das 38 m lange, 29 m breite und 9 m hohe Solar-Luftschiff soll 3 - 5 Personen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 160 km/h transportieren können. Der Antrieb ist hybrid, zum einen sollen 45 kW aus CIG-Dünnschichtzellen kommen, mit denen die obere Hälfte Außenhaut gepflastert ist, zum anderen gibt es Brennstoffzellen sowie einen Biodiesel-Motor, der als Reservesystem einen Generator betreiben kann. Die innere Rahmenstruktur des Luftschiffs besteht aus Kohlefaser, während die gesamte Außenfläche aus zahlreichen wabenförmigen, starren Sandwichplatten aus Flugzeug-Aluminium besteht, die ebenfalls mit Kohlefasern verstärkt sind.

Von Campbell stammt auch das 1996 erschienene Buch Helium Phoenix, in welchem er das Konzept des Turtle Airships beschreibt, und das – zumindest seiner Meinung nach – Gil Costin 1997 dazu veranlaßt, nur wenige Monate nach Erscheinen des Buches eine eigene Luftschiff-Entwicklungsfirma Millennium Airship Inc. (MAS) mit Hauptsitz in Bremerton, Washington, zu gründen, die jedoch in keiner tatsächlichen Beziehung zu Turtle Airships steht.

Millennium beteiligt sich wiederum an dem Walrus-Programm der DARPA und entwickelt hierfür ein hybrides Schwerlast-Transportluftschiff namens SkyFreighter, das die ITAMMS- und die ThrustWing-Technologie nutzt. ITAMMS ist ein innovatives Antriebssteuerungssystem mit selektivem Schub an jedem der vier ThrustWings (Vortriebsflügel), das dem SkyFreighter eine gute Steuerbarkeit erlaubt und auch den Ballast-Austausch beim Be- und Entladen reduziert. 

Auf der Homepage des später in Port Orchard, Washington, beheimateten Unternehmens erscheinen interessanterweise auch die bereits bekannten Grafiken des Aeroscraft bzw. Turtle Airship, es gibt aber auch eigene Entwürfe, mit denen Campbell selbst nicht zu tun hat.

Am 23. März 2007 gründet Millennium Airship jedenfalls die Tochtergesellschaft Skyfreighter Canada Ltd. und Mitte 2008 gibt Millennium bekannt, daß man in Zukunft anstatt Flugzeugbenzin auf Wasserstoff als Antrieb setzen wird.

Maxflyer Grafik

Maxflyer (Grafik)

Ebenfalls im Jahr 2006 berichtet die Presse, daß die Firma Multimax Inc. aus Largo mit Unterstützung der NASA sowie von Militärwissenschaftlern der Wright-Patterson Air Force Base in Ohio ein Luftschiff in UFO-Form entwickelt, das in Höhen zwischen 20 und 30 km unterwegs sein soll.

Kosten wird der sogenannte Maxflyer rund 14 Mio. $. Da nichts darüber verlautet, ob diese Blimps mittels PV- oder anderer Anlagen der Eneuerbaren Energie versorgt werden sollen, verfolge ich sie an dieser Stelle nicht weiter.


Im September 2007 meldet die Firma Anabatic Sàrl aus Luins, Schweiz, daß sie den Jungfernflug eines neuen 9 m langen elektrisch betriebenen Blimps durchführen konnte - trotz einer Windgeschwindigkeit von mehr als 35 km/h. Das irgendwann zu Beginn des neuen Jahrtausends gegründet Unternehmen hatte die Technologie und die Aktivitäten des erfolgreichen, ebenfalls Schweizer Unternehmens Minizepp SA übernommen und deren Luftschiffe auch weiter verbessert.

Dem Stand von Ende 2013 zufolge konzipiert, produziert, verkauft und vermietet Anabatic eine Vielzahl von einfach zu bedienenden, robusten und zuverlässigen Luftschiffen in Größen von 4 - 22 m, darunter drei kreiselstabilisierte Systeme für Kameras zwischen 200 g und 2,5 kg, sowie Innenraum-Luftschiffe für Stadien, Messen, Arenen, Konzerte usw., alle ferngelenkt und natürlich elektrisch betrieben.


Im März 2007 wird in Paris der offizielle Start des Projekts WINDREAM ONE bekannt gegeben, bei dem der Atlantik im Laufe von zehn Tagen in einem durch erneuerbare Energiequellen angetrieben Luftschiff überquert werden soll. Ein anderer Name des einsitzigen Fluggeräts ist Aerosail.

Das von Peggy Bouchet und Stéphane Rousson initiierte und im Laufe von drei Jahren vorbereitete Projekt wird von der französischen Theolia Gruppe gesponsert, einem Entwickler und Betreiber von Windfarmen. Ein Team aus etwa zwanzig privaten und universitären Forschern will zusammen mit technischen und finanziellen Partnern das Projekt unter ausschließlicher Verwendung von Energiequellen aus dem Meer, der Sonne und dem Wind realisieren.

Das 28,5 m lange und mit 900 m3 Helium gefüllte Luftschiff soll mit einer gebogenen Carbon-Tragfläche ausgestattet werden (chien de mer), die sich unter der Wasseroberfläche befindet und durch ein langes Kabel, dessen Länge von 20 – 50 m eingestellt werden kann, mit der Gondel verbunden. Die Tragfläche wirkt wie ein Schwert und soll die Crew bei der Kontrolle der Flugbahn unterstützen.


WINDREAM ONE Test

Der allererste Flug soll bereits Mitte September in Toulon stattfinden, gefolgt von einem Testflug von Nizza nach Calvi sowie einem Demonstrationsflug über den Genfer See im November. Hierfür errichtet das Team ein Lager auf einem ehemaligen Marinefliegerstützpunkt an der französischen Mittelmeerküste. Im Januar des Folgejahres ist dann vorgesehen, in Dakar im Senegal eine neue technische Basis aufzubauen, um von hier aus westwärts nach Martinique zu starten.

Zwar wird im Mai 2007 darüber berichtet, daß das Pilotenpaar ein dreitägiges Überlebenstrainig absolviert – wobei Peggy Bouchet auf ihre Erfahrung zurückblicken kann, alleine über den Atlantik gerudert zu sein. Auch ein aus Sperrholz gefertigter Prototyp des Cockpits ist bereits gebaut. Nun wird überlegt, ob die erforderliche Leistung von 8 - 10 kW von einem oder zwei Motoren erbracht werden soll.

Im Juni folgt die Meldung, daß Testflüge mit einem kleinen Ballon-Prototyp durchgeführt werden, der mit Pedalkraft angetrieben wird. Tatsächlich versucht Rousson dann im September 2008 mit dem Zeppy getauften, pedalbetriebenen 200 m3 Luftschiff den Ärmelkanal zu überqueren, was ihm aber aufgrund von starkem Gegenwind nicht gelingt.

In einem dazu auch noch windbetriebenen Modell Zeppy 3 will der Franzose Mitte 2010 einen Teil des Mittelmeers überqueren. Davon ist aber später nichts mehr zu hören – ebensowenig wie von dem ambitionierten WINDREAM ONE Projekt. Mehr darüber findet sich im Kapitelteil über die muskelkraftbetriebenen Luftschiffe (s.d.).


Im Oktober 2007 wird das Konzept von Tino Schaedler und Michael J. Brown bekannt gemacht, deren Strato Cruiser Airship als ,lifestyle zeppelin’ bezeichnet wird – immerhin soll es u.a. auch mit einer Plattform zum Bungee-Jumping ausgestattet werden. Auch ein festangestellter DJ ist mit eingeplant.

Strato Cruiser Airship Grafik

Strato Cruiser Airship
(Grafik)

Das Luxus-Luftschiff möchte ein neues Niveau von Reisesicherheit, Geschwindigkeit und ökologischen Zielen verwirklichen und wird daher über ein einziehbares Polycarbonat-Dach verfügen, unter dem sich ein Feinschmecker-Restaurant, ein Erholungs-Spa samt Swimmingpool, Kletterwände sowie private Suiten finden lassen.

Eine Hülle aus Kohlefasern und große Flächen von Photovoltaik-Zellen auf der Oberseite umgeben mehrere mit Helium gefüllte Kammern im Innern, die um den zentral gelegenen und sich über die gesamte Höhe erstreckenden Nutzbereich. Es bleibt allerdings abzuwarten, ob die äußere Form, die eher an Schlachtenkreuzer aus SF-Filmen erinnert, viele Freunde gewinnen wird – von einer Umsetzung einmal ganz abgesehen.


Im März 2008 veröffentlichen die Fachblogs das Konzept des solarbetriebenen Luftschiffs Airship One, das aus der Feder des in Umea, Schweden, lebenden israelischen Industriedesigners Gosha Galitsky stammt. Auch dieses Modell sieht ein wenig nach Film aus, ist technisch aber wesentlich bescheidener und realistischer. Es handelt sich um Galitskys Diplomarbeit an der Bezalel Academy of Art and Design in Jerusalem aus dem Jahr 2007.

Das Airship One besitzt ein Aluminium/Kohlefaser Skelett, das ihm zu einer halbstarren Struktur verhilft. Dadurch wird es zu einem Hybrid zwischen einem halbstarren Luftschiff und Flugzeug. Innen befinden sich mit Helium befüllte Ballonets aus Polyurethanegewebe, und von außen ist die Struktur mit einem hochfesten Kunststoffgewebe verkleidet, das an mehreren Stellen mit PV-Zellen bestückt ist.

Das Solarluftschiff soll in seiner Doppeldecker-Fahrgastzelle bequemen Platz für 25 Passagiere bieten und etwa 30 t Last aufnehmen. Seine vier ummantelten Elektro-Propeller ermöglichen ihm einen Schwebeflug wie auch eine Höchstgeschwindigkeit von bis zu 190 km/h. Zum Starten kann zusätzliche Energie aus einem Bio-Diesel-Motor/Generator bezogen werden.


Solarial Montage

Solarial (Montage)

Mitte 2008 erscheint in den Blogs das Konzept eines 20 m langen Blimps, der insbesondere in Katastrophengebieten zur schnellen Versorgung mit Solarstrom eingesetzt werden soll. Die Idee des mit 120 m2 CIGS-Dünnschichtzellen laminierten Mini-Luftschiffs Solarial stammt von dem kanadischen Produktdesigner Andrew Leinonen aus Toronto, der außerdem noch eine reversible Antriebspropeller/Windkraftanlage mit einbezieht.

Mit dem errechneten Gesamtertrag von 125 kWh pro Tag lassen sich beispielsweise 400 Kühlschränke für Medikamente betreiben – oder auch 25 Pumpen, mit denen bis zu 12.000 Menschen mit Trinkwasser versorgt werden können.

Das autonom fliegende Luftfahrzeug, das gleichzeitig als Relaisstation für Radio- und Mobiltelefon-Signale dient, wird von einer Power-Box angetrieben und gesteuert, die sich absenkt, sobald das Zielgebiet erreicht ist. Neben einem Verankerungsmechanismus enthält die Box die Kontrolleinrichtungen und Anschlüsse für den Solar- und Windstrom, ein Satellitentelefon, ein UHF-Radio und eine Wasserstoff-Brennstoffzelle als Energiepuffer.

Während Ertragsspitzenzeiten kann das System durch Wasser-Elektrolyse wiederum Wasserstoff erzeugen, um die Diffusionsverluste der 630 - 700 m3 Wasserstoffgas innerhalb der Hülle auszugleichen.


Ein überraschendes Konzept von Laurens Rademakers aus dem belgischen Leuven wird im September 2008 gezeigt, als sich dieser am Create the Future Design Contest der NASA beteiligt.

Stirling Solar-Electric Airship Grafik

Stirling Solar-Electric Airship
(Grafik)

Sein Stirling Solar-Electric Airship verwendet das Prinzip des Stirlingmotors, um sich für lange Zeit in der Luft zu halten.

Durch den Einsatz eines Parabolspiegels (solar dish) wird die Sonnenenergie in Wärme umgesetzt, welche den Stirlingmotor antreibt, der aufgrund des Wärmeunterschieds zwischen zwei Polen arbeitet. Je größer der Unterschied, desto größer die erzeugte Energie.

Strom und Wärme speichernde Batterien, eine Leichtbaustruktur und seine Position am Himmel in mehreren Kilometern Höhe oberhalb der Wolkendecke und bei Außentemperaturen von bis zu -60°C machen das Luftschiff ideal für die volle Nutzung der Solarenergie.


Das erste bemannte solarbetriebene Luftschiff der Welt wird ab November 2007 im Rahmen des Projet Sol’R von drei französischen Studenten konzipiert.

Die 22 m lange und 5,5 m durchmessende Néphélios soll in der Lage sein, mit ihrem 2,4 kW Antrieb eine Höchstgeschwindigkeit von 40 km/h zu erreichen und neben dem Piloten auch wissenschaftliche Ausrüstungen für Forschungszwecke zu transportieren. Zum Einsatz kommen sollen 42 CIGS-Module mit einem Wirkungsgrad von 6 %, die eine Gesamtfläche von 40 m2 haben.

Projektziel ist es, mit dem Solarluftschiff Néphélios im Sommer 2009 den Ärmelkanal zu überqueren – genau 100 Jahre nach Blériot, der im Juli 1909 als erster Mensch in einem Flugzeug von Calais nach Dover geflogen ist, in 37 Minuten und bei einer durchschnittlichen Flughöhe von 100 m.

Néphélios Solarpanele

Néphélios Solarpanele

Mit einem Pedal-betriebenen Luftschiff hatte Stéphane Rousson bereits im September 2008 versucht, den Ärmelkanal zu überqueren, allerdings erfolglos. Nun unterstützt er die drei Néphélios-Initiatoren Arnaud Vaillant, Thomas Raphael und Aloun Vangkeosay, denen es schnell gelingt, mehr als 50 Enthusiasten aus verschiedenen Universitäten zu finden, die das Projekt mit voranbringen.

Geleitet wird das Projet Sol’R von dem Nationalen Institut für Angewandte Wissenschaften INSA in Lyon und der Ecole de Commerce (ESSEC), und diverse Firmen und Unternehmen sagen ihre Unterstützung zu.

Mit der Konstruktion wird allerdings erst im April 2009 begonnen, und das Budget beträgt nur 150.000 €, wobei die Mittel von der französischen Umwelt- und Energieagentur ADEME, den beteiligten Lehrstätten sowie der Ecole d’Ingénieurs (EPF), der Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers und der Stadt Vincennes stammen.

Die Struktur des mit Helium gefüllten Luftschiffs, das in einigen Quellen auch unter dem Namen Windreamone erwähnt wird, besteht aus Karbonfasern und Aluminium, bedeckt ist es von einem synthetischen, mit Polyurethan beschichteten Gewebe. Für den Mehrenergiebedarf der beiden großen Antriebspropeller bei Start und Landung sind zusätzliche Batterien an Bord.

Das fast fertige Luftschiff mit der Registrierung W77BBF wird während des Salon du Bourget im Juni 2009 präsentiert, die Tests werden für den August und die Kanalüberquerung selbst für den September angesetzt, doch dann dauert es mit dem Erstflug noch bis zum Dezember 2009 und die Überquerung mit einer Geschwindigkeit von 30 - 35 km/h und in einer Flughöhe von 500 m wird auf den Mai 2010 verschoben.

Nach weiteren, erfolgreich verlaufenden Testfahrten im Januar und Februar 2010 benötigt das Team dringend weitere 20.000 €, um das Projekt fortsetzen zu können.

Bis Ende des Jahres scheint man damit jedoch nicht erfolgreich zu sein ... und neue Informationen gibt es auch keine mehr. Es muß wirklich bitter sein, so kurz vor dem Ziel ausgebremst zu werden.


Im August 2008 meldet die australische Presse, daß der Erfinder Ian Edmonds aus Brisbane mit seinem Unternehmen Solartran Pty Ltd. einen Ballon-Motor entwickelt hat, der die Sonnenenergie nutzt, um genug Strom für zehn mittelgroße Häuser zu produzieren (was von dritter Seite allerdings als maßlose Übertreibung gewertet wird, alleine schon aufgrund des zunehmenden Eigengewichts des Zugseiles, das mit zunehmender Höhe immer stärker gegen den Auftrieb wirkt).

Letztlich soll der Heißluftballon als Kolben verwendet werden, der durch seinen Auftrieb über ein Zugseil einen Generator antreibt – ähnlich wie es im Bereich der Zugdrachen schon praktiziert wird (s.d.).

Dabei kommt die heiße Luft, mit welcher der Ballon befüllt wird, aus einem großen Gewächshaus. Das Konzept scheint aber noch Schwächen zu haben (z.B. die thermischen Verluste), denn bislang werden noch keine Fortschritte gemeldet.

Ein ähnliches Konzept mit dem Titel Energy from solar balloons wird im Februar 2010 von Roberto Grena aus Rom veröffentlicht – wobei hier auch eine von Fabio Cibolini inspirierte Idee präsentiert wird, bei der zwei Ballons miteinander über das selbe Zugseil verbunden werden.

Wenn Ballon Nr. 1 seine maximale Höhe erreicht, befindet sich Ballon Nr. 2 fast auf Bodenniveau. Ballon 1 entläßt daraufhin heiße Luft durch teilweises Öffnen der oberen Klappe, und wird von Ballon 2, während dessen erneuter Aufstiegsphase, nach unten gezogen. Und vice versa.


Auch die von Edmund Kelly im Jahr 2008 gegründete Firma StratoSolar aus Richmond, Kalifornien, will schwebende Solarkraftwerke in der Stratosphäre verankern. Großflächige, mit Tausenden Tonnen Treibgas gefüllte Ballons sollen dünne Solarzellen auf eine Höhe von 10 - 20 km tragen, wo die PV-Module hoch über den Wolken den 1,5 bis 3,5-fachen Ertrag bringen als am Boden. Der gewonnene Strom wird durch das Halteseil/Hochspannungskabel übertragen.

StratoSolar Grafik

StratoSolar (Grafik)

Ein früheres Konzept der Firma sah vor, einen schwebenden Solarkonzentrator mit der Struktur eines Cassegrain-Spiegelteleskop zu nutzen, um das gebündelte Sonnenlicht durch eine reflektierendes Rohr zum Boden herab zu führen, damit es dort in einer konventionellen Dampfkraftanlage eingesetzt wird. Sinnvollerweise wird davon später Abstand genommen.

Weiterhin angedacht ist, die schwebenden Plattformen als Schwerkraft-Energiespeicher zu nutzen, indem zusätzliche Massen, die Hunderte von Tonnen betragen können, mittels Elektromotor/Generator-Winden angehoben bzw. wieder abgelassen werden. Wobei die Winden natürlich an der Plattform selbst befestigt sein müssen, und nicht am Boden, wie bei den o.g. Zugdrachen oder -ballons.

Im Oktober 2010 erhält die StratoSolar das erste Patent für ihr neuartige Solarsystem, das in modularen Schritten von 10 MW auf bis zu 1 GW ausgebaut werden könnte. 2011 ist das Unternehmen auf der Suche nach Kapital, um im Folgejahr mit der Forschung und Entwicklung weiter zu machen und den Prototypen des ersten 10 MW Systems zu planen, zu entwickeln und zu bauen. Über praktische Versuche oder eine tatsächliche Umsetzungen ist bislang allerdings nichts bekannt geworden.


Von Mitte 2009 stammt das Konzept des ‚nachhaltigen Luftschiffs’ AIRBIA der beiden Designer Irene Shamma und Alexandros Tsolakis.

AIRBIA Grafik

AIRBIA (Grafik)

Es soll als eine Art Shuttle zwischen dem Umland und urbanen Zentren fungieren und rund 400 Personen in 30 – 500 m Höhe mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von bis zu 150 km/h transportieren.

Die speziell entwickelten Landeplattformen des Luftbus-Systems sind flexibel und können schnell an jedem gewünschten Start- oder Zielort installiert werden.

Das Konzept gehört zu den 20 Finalisten des 2009 erstmals veranstalteten ReBurbia-Wettbewerbs des in San Francisco erscheinenden Dwell Magazine und dem Fachblog Inhabitat.com, gewinnt Ende des Jahres dann aber doch keinen Preis.


Vermutlich Anfang 2010 gründen Brady Soule und Mark Summers die Firma Helios Airships, die ebenfalls Solarluftschiffe entwickeln will, für die auch schon ein Patent angemeldet worden ist.

Das Unternehmen stellt zwei Entwürfe seiner Helios P Serie vor: Das kleine Helios P500 Personal Airship, und das große, rund 100 m lange Helios C60 Cargo Airship, das mittels Schwimmkörpern auch auf dem Wasser starten und landen kann.

Es soll mit einer Last von 60 t in Form von zwei handelsüblichen 12 m Schiffscontainern bis in den Jetstream hinaufschweben und dort eine Reisegeschwindigkeit von bis zu 300 km/h erreichen können. Daher taucht es in der Presse auch unter dem Begriff High Speed Solar Airship (HSSA) auf.

Helios Modelltest

Helios Modelltest

Helios führt Versuche mit einem X1 Prototyp durch, der einem C60 Lastenluftschiff im Maßstab 1:20 entspricht und schon mit einem Solarpanel auf der Rückenfläche bestückt ist.

Mit dem Bau des ersten P500, dessen Kosten auf 5 Mio. $ geschätzt werden, soll begonnen werden sobald das notwendige Startkapital in Höhe von 2 Mio. $ zusammengekommen ist. Und bereits zwei Jahre nach dem Beginn der Verkäufe soll dann das erste C60-Luftschiff hergestellt werden.


Im Januar 2010 erscheint in den Blogs ein Bericht über ein Konzept namens Floating Geodesic Solar Molecules von Trevor Jordan, bei dem es sich um eine Art riesiger Wolke aus Solarzellen-Ballons handelt, die sich in einem wiederholenden Zyklus jeden Tag von Osten nach Westen über den Himmel bewegt.

Die Moleküle sind geodätische Strukturen, die durch heiße Luft in der Luft bleiben, mit PV-Zellen bedeckt sind und die gewonnene Sonnenenergie in Bordsystemen speichern.

Die Energie wird dann in Mikrowellen umgewandelt und an der Oberfläche der Erde gestrahlt, wo sie in Basisstationen wieder in nutzbare Elektrizität zurückverwandelt werden, so wie es bei Satellitenkraftwerken passieren soll.

Leider lassen sich keine weitere Informationen über etwaige Schritte zu entsprechenden Versuchen finden. Über ähnliche, allerdings kleinere Konzepte berichte ich unter Entwicklung der photovoltaischen Nutzung 2009.


Aircruise Grafik

Aircruise (Grafik)

Im Februar 2010 rauscht der digitale Blätterwald aus Begeisterung über ein neues, visionäres Luftschiffkonzept des Londoner Design-Büros Seymourpowell, das äußerlich wie innerlich mit einer ganzen Reihe neuer Technologien aufweist.

Das futuristische Fluggerät mit der Form eines Doppelrhombus trägt den Namen Aircruise und ist eine Mischung aus Luftschiff und Luxus-Hotel. Es soll mit einer Fluggeschwindigkeit von ca. 145 km/h kreuzen und damit die Strecke von London nach New York in 37 Stunden zurücklegen können. Neben der Hauptantriebsquelle in Form von Brennstoffzellen soll das Wolkenheim auch die Solarenergie nutzen.

Im Inneren befinden sich neben einer Bar-Lounge und Gemeinschaftsbereichen vier Maisonette- und fünf kleinere Penthouse-Wohnungen, außerdem bietet das Luftschiff Glasböden, die vom Himmel aus einen atemberaubenden Blick bieten.

Der koreanische Elektronik- und Baukonzern Samsung verwendet das Konzept, um seinen visionären Ausblick auf die Zukunft zu präsentieren.


An einem kleinen Solarluftschiff namens Aerolabe, das mit Flatterflügeln oder einer Heckflosse voranbewegt wird, arbeitet der französische Künstler und Designer Gaspard Schlumberger.

Eine Umsetzung in großem Maßstab, mit der auch eine Atlantik-Überquerung möglich wäre, soll etwa 3,5 Mio. € kosten.


Zeplin Grafik

Zep’lin (Grafik)

Eine äußerst interessante Ästhetik besitzt das Konzept des ebenfalls französischen Designers Damien Grossemy aus Lille, der dieses für die Autofirma Renault entwickelt.

Seine Zep’lin genannten Flugkörper, die im März 2010 in den Blogs vorgestellt werden, sind nichts anderes als durch die Luft fahrende Segelboote mit großen Solarzellen-Flächen und Lithium-Ionen-Batterien als Energiezwischenspeicher.

Dem Designer zufolge soll Renault für 2015 mit Luftschiffen eine Wettfahrt um die Erde herum planen – als Werbung für seine neuen Elektrofahrzeuge.


Überhaupt scheint das Thema Solarluftschiff an Aktualität zu gewinnen. Im Juni 2010 erscheint ein Design von Thomas Rodemeier aus Zürich, bei dem es sich um ein von Sonnenenergie betriebenes schwebendes 5-Sterne-Hotel handelt.

Die Auftragsarbeit Airship Traveling des Lehrstuhls von Prof. Gregor Eichinger an der ETH Zürich für einen nicht genannten Kunden zeichnet sich durch eine besondere innere Architektur aus, die ein hohes Maß an Komfort und Flexibilität gewährleistet.

Anstatt eines unterhalb der Hülle angebrachten Wohn-Moduls schlägt das Design die mehrstöckige Nutzung des weitgehend offenen Kerns vor, der von dem tragenden, mit Helium befüllten Volumen sozusagen umringt wird. Auf dem Dach sind Solarpanele montiert, welche die Energie für das ‚kinetische Antriebssystem von Festo’ generieren.


Rediscovery Grafik

Rediscovery (Grafik)

Anfang 2008 gibt das Design-Fachblog Inhabitat.com die White House Redux Design Competition bekannt – einen Wettbewerb zum Neuentwurf des Weißen Hauses, so als ob dieses neu gebaut werden soll.

Die beiden Architekten und Designer Alex Schulz und Ralf Schormann aus Düsseldorf beteiligen sich mit dem Luftschiff-Konzept Rediscovery, einem ökologischen Flugkörper mit Platz für die Büros des Präsidenten und seines Stabes.

Weniger hoch angesiedelte Mitarbeiter müssen mit einem Arbeitsplatz in dem stationären Teil des Gesamtsystems vorlieb nehmen, das auch als Andockstation für das fliegende White House dient.

Welche erneuerbaren Energien für den Betrieb des Luftschiffs konkret eingesetzt werden sollen, geht aus dem Beitrag nicht hervor – nur, daß das Ganze einen Vorbildcharakter für die Welt haben wird.


Ganz eindeutig an der Oberfläche mit Solarzellen bestückt ist dagegen das Luftschiff Eunoia, von dem es bislang aber auch nur ein paar Grafiken gibt, die im Juli 2010 veröffentlicht werden. Das Konzept des Industriedesigners Thomas Tzortzi aus London soll acht Passagieren eine luxuriöse Öko-Reise ermöglichen – eine spätere Version ist sogar für bis zu 60 Personen angedacht.

Neben einer Aussichtskapsel in der Gondel und einem Aussichtsraum in der Nase der Struktur soll das mit Helium befüllte Solarluftschiff vorn auch noch ein Sonnendeck erhalten.

Viele dieser Konzepte werden übrigens im Juni 2010 auf dem Salon de l’aviation verte in Paris gezeigt, bei dem es auch einige der neuen elektrischen Flugzeuge und Paraglider (in Arbeit) zu sehen gibt.


Einem ganz anderen Ansatz folgen Architekten des Büros Fewer Harrington & Partners im irischen Waterford, die solarbetriebene, Luftschiff-ähnliche Objekte nutzen wollen, um das Bewußtsein für den Klimawandel zu schärfen.

Skyglow Konzept Grafik

Skyglow Konzept (Grafik)

Bei dem im September 2010 veröffentlichten Konzept Skyglow sollen 200 m lange mit Helium gefüllte und von flexiblen OLEDs umhüllte Spindeln über Ballungszentren angedockt werden.

Zusätzlich zu diesen Luftschiffen werden am Boden mehrere kleinere Repliken aufgestellt und mit interaktiven Touchscreens ausgestattet, mit denen die Besucher eingeladen werden, Fragen zum CO2-Verbrauch, der Wahl von Verkehrsmitteln und zum Recycling zu beantworten.

Die gesammelten Informationen werden in unterschiedliche Farbgebungen der kleinen Skyglows umgesetzt, die daraufhin von Rot nach Blau changieren – je nach Grad des ökologischen Bewußtseins. Die gesammelten Informationen der Befragungen gehen dann an die schwebenden Skyglows, zusammen mit Daten über den nationalen Energieverbrauch und Informationen über die Luftqualität.


Seit 2008 arbeitet die australische Firma SkyLifter Pty Ltd. aus Joondalup an dem Konzept eines gigantischen Luftfahrzeugs, das ganze Gebäude versetzen soll – z.B. Krankenhäuser in Katastrophengebiete.

Der Skylifter hat die Form einer fliegenden Untertasse, eine mit Solarzellen bedeckte Oberfläche und soll Massen von bis zu 150 t über eine Strecke von 2.000 km transportieren können.

Durch das flache Profil seiner 150 m durchmessenden Diskusstruktur ist der Skylifter sehr gut manövrierbar und auch weniger anfällig gegenüber Windkräften. Die Steuergondel hängt zentral an einem Verbindungskabel, das nach unten verlängert auch das Trägersystem für die Last bildet.

Skylifter Betty Test

Skylifter Betty Test

Geplant ist der Einsatz seitlich aufgehängter Voith-Schneider-Propeller mit horizontaler Achse, die dem Luftkran eine große Wendigkeit erlauben und jenen Schiffspropellern ähneln, die bereits bei modernen Schleppern verwendet werden. Die Entwickler erwarten, damit eine Höchstgeschwindigkeit von knapp 85 km/h zu erreichen.

Die Firma hat bereits ein Miniatur-Modell namens SL 3 Betty gebaut, das bei einem Durchmesser von knapp 3 m ein halbes Kilo Tragfähigkeit hat.

Im Oktober 2010 wird an einem 18 m durchmessenden Testgerät SL18 Vikki gearbeitet, dem ein 23 m großer und bereits mit einem Antrieb versehener Prototyp SL23 Nikki folgen soll. Diese Modelle sind auch für einen Einsatz als unbemannte Flugkörper gedacht. Ein Skylifter SL150 Lucy in voller Größe soll innerhalb von drei Jahren folgen.


Die in
Kellyton, Alabama, beheimatete Firma E-Green Technologies arbeitet 2010 an einem Luftschiff namens Bullet 580, das mit Biosprit aus Algen betrieben werden soll. Falls es zu einer Umsetzung kommt, werde ich dort ausführlicher darüber berichten.


Im Juni 2011 veröffentlicht der Industriedesigner Metin Kaplan aus Göteborg auf vimeo.com sein Konzept Sunrise Solar Powered Thermal Airship, das er für Flug-Missionen mit niedrigen Geschwindigkeiten von maximal 60 km/h und langer Flugdauer entwickelt hat, wie Beobachtungen, Expeditionen, Patrouillen- und Filmflüge oder einfach nur für den Freizeit.

Sunrise Animation

Sunrise (Animation)

Anstatt Helium, nutzt das Sunrise-Luftschiff Heißluft als Traggas – was die Betriebskosten natürlich drastisch reduziert.

Die Lösung, wie die Luft im Inneren des Flugkörpers aufgeheizt wird, ist äußerst clever, ebenso wie das Antriebskonzept. Denn anstatt schwere und ineffiziente Photovoltaik zu nutzen, wie es die meisten anderen Solarluftschiffe tun (oder tun wollen), setzt Kaplan gebündelte Sonnenenergie ein (Concentrated Solar Power, CSP), um sowohl Auftrieb als auch Vortrieb zu erzeugen.

Innerhalb des transparenten Heißluftballons folgt eine Fresnel-Linse ständig der Sonne und konzentriert deren Strahlen in einen Brennpunkt, nicht nur um die Luft für den Auftrieb zu erwärmen, sondern auch um einen Stirling-Motor für den Vortrieb anzutreiben.

Dabei dreht sich der Ballon ständig um zwei Achsen (vertikal um 90°, horizontal um 360°), um so die Sonne zu verfolgen. Eine ähnliche Idee war uns weiter oben schon einmal begegnet.

Zusätzliche Energie wird als Wärme in isolierten Ballons, bzw. als mechanische Energie in einem Schwungrad gespeichert. Am Scheitelpunkt der Kugel soll ein Rohr die bis zu 120°C heiße Luft absaugen und zu einem Kompressor führen, während der Stirling an einen Generator angeschlossen ist, dessen Strom wiederum die Propeller antreibt.

Als Sicherheitsreserve ist ein Propangas-Brenner vorgesehen. Bislang scheinen noch keine Versuche erfolgt zu sein, es wäre aber bestimmt spannend zu erleben, ob sich dieses Konzept umsetzen läßt.


Der amerikanische Produktdesigner Eric Strebel aus Detroit kommt im Juli 2011 mit einem Flossenfisch-ähnlichen Luftschiff-Design namens Albus Tell in die Presse, das er für den Terra Prix 2085 Design-Wettbewerb konzipiert. Dieses 550 m lange Ungetüm soll 15 Passagiere für unbestimmte Zeit tragen können, und durch vier halbkugelförmige EMP-Schubturbinen angetrieben werden – wobei mir nicht klar ist, wie ein elektromagnetischer Impuls genutzt werden kann, um einen Vortrieb zu erzeugen. Auf der Abbildung sind m. E. auch eher zwei schwenkbare Turboprop-Maschinen erkennbar.

Albus Tell Grafik

Albus Tell (Grafik)

Wie dem auch sei, der (fiktiven) Geschichte zufolge soll das Luftschiff ursprünglich von der Schweizer Armee gebaut worden sein, um Truppen über die Alpen zu transportieren - daher auch der poetische Name. Nun wird der Apparat von Strebels Design-Team überarbeitet und zu einer spektakulären Ausführungsform von High-Tech-Technologie und effizienten Energiesystemen fusioniert.

Elementar ist dabei die faserig strukturierte Solarhülle, in die eine organische Polymer-Nanoröhrchen-Technologie integriert ist, um den Grad der Solarenergie-Erzeugung zu optimieren. Das robuste und wetterfeste Hüllenmaterial soll Temperaturen von bis zu -40°C widerstehen.

Im Rahmen der Zielvorgaben des 2085 Terra Prix soll das expansive Raumvolumen des Luftschiffs als Basis für ein ganzes Rennteam genutzt werden. Neben Service-Bereichen zum Essen und Wohnen wird es über Schlafräume, Lager, einen Wartungsraum und elektronische Telekommunikationseinrichtungen verfügen. Und natürlich auch den Gigernaut HAR1 mit sich führen, einen Renn-Truck, der durch einen speziellen schweren Hebemechanismus aus dem Luftschiff abgelassen bzw. wieder hinaufgezogen werden kann. Die Beleuchtung soll durch bio-lumineszierende Wände erfolgen.


Ebenfalls im Juli 2011 meldet sich Lockheed Martin zurück – mit dem Jungfernflug eines neuen solarbetriebenen Blimps namens HALE-D (High Altitude Long Endurance-Demonstrator), der als Satellitenersatz in 60.000 Fuß Höhe für Dinge wie Langzeitwetterbeobachtungen, Kommunikations- und natürlich auch Spionagezwecke eingesetzt werden soll.

Bei seinem von Akron, Ohio, startenden Erstaufstieg erreicht das ferngesteuerte Luftschiff aufgrund technischer Schwierigkeiten allerdings nur 32.000 Fuß, von wo es zu einer problemlosen Landung an einem zuvor festgelegten Punkt im südwestlichen Pennsylvania beordert wird.

Eigentlich sollte der Blimp mittels seiner Motoren bis oberhalb des Jet-Streams aufsteigen und dann eine feste Position über der Erde einnehmen, wofür die gleichen Motoren zuständig sind. In dieser Höhe kann das Luftschiff einen Radius von 600 Meilen überwachen (965 km). Der HALE-D ist ein verkleinerter Demonstrator aus hochfesten Stoffen, der durch Dünnschicht-Solarpaneele mit Strom versorgt wird und damit einen langfristigen Einsatz ohne Nachtanken ermöglicht.


SEED Montage

SEED (Montage)

In den Blogs kursiert im Juli 2011 ein etwas befremdliches Konzept der Designer Moonhwan Lee, Nakamura Shohei und Young Wook Jung. SEED ist wie ein kleiner, elektrisch betriebener Ballon, der im Urlaub – oder sonstwo - hinter einem herfliegt und die Daheim gebliebenen mittels Luftaufnahmen und Tonaufzeichnungen darüber informiert, was man gerade tut - ohne daß man sich selbst darum kümmern muß (Sync Experience Service).

Das Gerät mit einem Durchmesser von 210 mm und einer darunter hängenden 74 mm durchmessenden Nutzlast mit Rotor, Aufnahme und Kommunikationssystem soll sogar Gerüche abspeichern können, und außerdem kann der Ballon mittels seiner Navigationsfunktionen auch als touristischer Führer eingesetzt werden.

Bislang handelt es sich nur um eine Idee, die im Mai bei einem Wettbewerb von Fujitsu und der japanischen Design Association (DA) aber immerhin schon den Sonderpreis der Jury erhalten hat.


Im August 2011 läßt Manuja Gunaratne, ein High-School-Student an der Advanced Technologies Academy in Las Vegas, Nevada, an einem sonnigen Tag mit leichtem Wind ein Flugobjekt aus schwarzen Müllbeuteln starten, das vom Las Vegas valley aus bis auf eine Höhe 1.000 m aufsteigt und im Laufe seiner Flugzeit von 3 Stunden und 15 Minuten eine Strecke von vielen Meilen zurücklegt.

Die 650 g schwere Nutzlast besteht aus einem GPS-Tracking-Gerät und einer Digitalkamera, die unterwegs mit einem 3-Sekunden-Intervall etwa 2.000 Bilder aufnimmt. Für die Landung der Nutzlast gibt es einen kleinen Fallschirm, und gekostet hat das Ganze nur 50 Dollar.


Unter dem Namen Starlight arbeitet der Luftfahrtspezialist Bye Aerospace Inc. aus Denver, der uns bei den Solarflugzeugen schon mehrfach begegnet ist, gemeinsam mit der Firma Near Space Systems Inc. aus Colorado Springs an einem LTA-Konzept, das zumindest vom Aussehen her etwas gewöhnungsbedürftig ist.

Starlight Grafik

Starlight (Grafik)

Bei dem Gemeinschaftsprojekt Starlight wird im Auftrag der US-Navy ein von der Sonne angetriebenes, zweiteiliges unbemanntes Luftfahrzeug entwickelt, das weniger als ein Zehntel dessen kosten soll, was für die gegenwärtigen Höhenluftschiffe auf den Tisch gelegt werden muß. Das Gesamtgerät besteht aus einem Ballon, an den ein solarbetriebenes Flugzeug mit variabler Geometrie gekoppelt ist. Der Ballon hebt den Flieger in die Stratosphäre und schwebt dort mit ihm für eine Zeitdauer von bis zu vier Monaten. Zwecks Wartung und Umrüstung kann der Flieger für Landungen im Motorflug losgemacht werden. Solarzellen am Flugzeug liefern die notwendige Energie für alle Systeme einschließlich der beiden Motoren zum Halten der Position sowie den Nutzlasten.

Die Phase 1, Entwürfe und Systemstudien, wird 2010 erfolgreich beendet, während in Phase 2, die bis August 2011 geht, das Detail-Design der solar-elektrischen, flugfähigen unteren Stufe (Stratospheric Recovery Vehicle, SRV) erarbeitet und die Konstruktion und Montage eines Demonstrators abgeschlossen wird, der 40 % der eigentliche geplanten Größe hat. Die beiden Entwicklungsphasen werden unter Aufsicht der Aircraft Division des Naval Air Systems Command (NAVAIR) durchgeführt.

In der anschließenden Phase 3 soll die Montage des Unterstufen-Prototyps abgeschlossen und für den Flug in seine Betriebshöhe von bis zu 65.000 Fuß vorbereitet werden. Der Prototyp verfügt über Dünnschicht-Photovoltaik-Paneele (vmtl. von Ascent Solar), die sich um +/- 50° verstellen lassen, um den Sonnenenergie-Eintrag zu optimieren. Auch das Elektromotor/Propeller-System läßt sich um +/- 30° drehen, um eine verbesserte Lenkung bei den Windbedingungen in der Höhe bereitzustellen.

Eine gute Aerodynamik und Verbundwerkstoffe mit geringem Gewicht sorgen ferner für Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit, um den starken Winden und rauhen Bedingungen widerstehen zu können.

Der Prototyp hat eine Spannweite von 7,8 m, ist knapp 8,5 m lang und wiegt 387 kg. Als Energiespeicher sind leichte Li-Ionen-Batterien an Bord. Die Test-Nutzlast darf bis zu 22,5 kg wiegen und bis zu 100 W Leistung verbrauchen. Den Plänen zufolge soll es nur wenige Stunden dauern, dieses Luftschiff zu montieren und zu starten. Auf 100 % hochskaliert wird das Flugzeug eine Spannweite von 19,5 m und eine Länge von 21 m haben, während sein Gewicht weit über einer Tonne liegen würde. Im April 2012 spricht Bye von Bestrebungen, in 18 Monaten Falltests des SRV, und innerhalb von drei Jahren Flugtests mit dem kompletten System durchzuführen.


Berechtigterweise gute Presse erhält im Oktober 2011 die von Jay Godsall in Toronto, Ontario, gegründete Firma Solar Ship Inc., die seit einiger Zeit an der Entwicklung eines ganz besonderen Solar-Helium-Luftschiffes arbeitet, und mit diesem nun auch die ersten Testflüge durchführen kann.

Solar Ship Grafik

Solar Ship (Grafik)

Godsall hatte in den frühen 1990er Jahren damit begonnen, sich mit Luftschiffen zu beschäftigen, doch erst 2004, als er Prof. James DeLaurier von der University of Toronto trifft, lernt er das Konzept von Hybrid-Luftschiffen kennen. Die beiden Männer gründen daraufhin im Jahr 2006 die neue Firma, mit DeLaurier als leitender Luftfahrtingenieur.

Der nun erstmals gezeigte Prototyp verbindet die Vorteile von Luftschiffen und Flugzeugen, indem er beide Formen des Auftriebs nutzt. Die Heliumfüllung in der Tragfläche erzeugt ebenso Auftrieb (~ 50 %) wie deren aerodynamische Form. Dank des Heliumauftriebs kann der hybride Flieger auch auf unbefestigtem Gelände starten und landen, weshalb als Zielmarkt für die Luftschiffe eine Branche mit logistischen Kopfschmerzen ist: Hilfsorganisationen, die in Ländern ohne Straßen und funktionierende Landebahnen medizinische Güter transportieren oder die Opfer von Erdbeben erreichen wollen. Den Antrieb der Luftflundern übernehmen elektrische Propeller, die aus Solarzellen auf der Oberseite der Tragflächen gespeist werden. Der Prototyp ist damit allerdings noch nicht ausgestattet.

Die Firma plant, die Schiffe in drei Größen zu bauen. Das kleinste Modell mit der Bezeichnung Caracal kann eine Nutzlast von 200 – 1.000 kg mit maximal 70 km/h über eine Distanz von 1.000 km transportieren und benötigt eine Start- und Landebahn von etwa 100 m Länge. Das größere Modell Chui soll rund 2 - 15 t Nutzlast über 3.000 km transportieren können und 100 km/h erreichen, benötigt aber eine rund 200 m lange Start- und Landebahn. Das größte Modell Nanuq schließlich ist für Nutzlasten von 10 - 100 t ausgelegt, soll eine unbegrenzte Reichweite haben und bis zu 120 km/h schnell werden. Dafür sind zum Start 600 m nötig (jeweils im voll beladenen Zustand).

Die Namen stammen aus der Tierwelt: Der Caracal ist eine schnelle Wildkatze, die in ganz Afrika bekannt ist, Chui (choo-ee) ist das Swahili-Wort für den Leoparden, und der Inuktitut-Name für den Eisbär, Nanuq, bedeutet soviel wie ,ein Tier, das großen Respekt verdient’.

Eine im Dezember 2012 gestartete Croudfunding-Kampagne auf indiegogo.com verläuft allerdings nicht sehr erfolgreich: Statt der erhofften einen Million kommen nur 11.000 $ zusammen. Und eigentlich sind für 2012 und 2013 weitere Demonstrationen des Blimp-Flugzeugs geplant, die später aber auf den Sommer 2014 verschoben werden. Weitere Neuigkeiten gibt es bislang nicht.


Der oben bereits erwähnte New Yorker Architekt Tiago Barros erhält im Mai 2012 in London den Conde Nast Innovation & Design Awards für das Design eines Öko-Zeppelins des 21. Jahrhunderts, der sich an Fullers Ideen anlehnt und auch Passing Cloud heißt.

Passing Cloud Montage

Passing Cloud (Montage)

Die künstliche Wolke besteht aus miteinander verbundenen aufblasbaren Ballons, die durch eine äußerst starke, aber flexible Struktur aus rostfreiem Stahl in zugfestem Nylongewebe bedeckt sind.

Angetrieben wird das Ganze einfach durch die vorherrschenden Winde, so daß die Reise keine festen Ankunfts- oder Abflugpunkt hat und das Gefährt im Grunde als ,windbetrieben’ betrachtet werden kann.

Passagiere kommen über Leitern an Bord und bleiben für die Gesamtheit der Fahrt auf der Oberfläche sitzen. Und sind zumindest da auch der Sonne ausgesetzt.


Unter dem Namen Ecologic Aircraft Design Concept stellt Daphnis Fournier, Designchef von ALPINI/METZELDER in Paris, im November 2012 ein hybrides Flugverkehrsmittel vor, das einfach nur schön ist. Weshalb es hier und bei den Flugzeugen gezeigt wird. Denn dort gehört es ebenso dazu.

Das Flugzeug kann als moderner Doppeldecker bezeichnet werden, denn der eigentliche Rumpf ist am Ende seiner leicht angestellten Flügel mit einer darüber liegenden, großen Tragfläche verbunden, die von oben gesehen die Silhouette eines Luftschiffs hat, aber auf Hochgeschwindigkeits-Stromlinienform abgeflacht ist. Dazu ist sie mit Helium gefüllt, um energiesparende Starts zu ermöglichen. Und sie ist vollständig mit photovoltaischen Zellen bedeckt, was besonderen Sinn macht, da das Flugzeug die meiste Zeit über den Wolken fliegt.

Die gezeigte Studie ist 65 m lang und kann 216 und 324 Passagiere transportieren, je nach Innenausstattung und Komfort. Die Spitzengeschwindigkeit wird mit 1.200 km/h angegeben und mittels vier großen elektrischen Turbinen erreicht, die ihre Energie ausschließlich aus der gewaltigen Solarfläche decken, weshalb Fournier sein Design auch als Vollelektroflugzeug bezeichnet.


Im Dezember 2012 startet ein in Arizona beheimatetes PhotonFlightTeam eine Spendenaktion auf IndieGoGo, um – als Fernziel – eine solarbetriebenes Luftschiff aus recyceltem Aluminium zu bauen. Das Team hofft, mit der Kampagne genug Mittel beschaffen zu können, um einen kleinen ferngesteuerten Prototypen des Photonship zu bauen und testen, und dann zu weiter fortgeschrittenen Stadien des Designs übergehen zu können. Der nächste Schritt wäre dann ein solarbetriebenes Ein-Mann-Luftschiff – gefolgt von einem Drei-Mann-Luftschiff, das rund um die Welt fliegen kann.

Photonship Grafik

Photonship (Grafik)

Der Projektvorschlag, der sich in einem noch sehr frühen Stadium befindet, umfaßt so etwas wie die Kombination aus einem Jet, der geodätischen Kuppel-Geometrie von Fuller und einer Solarstromanlage.

Die Außenschale des Luftschiffs besteht aus flachen und starren Platten aus Leichtaluminium in Form gleichschenkliger Dreiecke, die zu einer geodätischen Kuppel-artigen Struktur zusammengesetzt werden, wobei der obere Teil mit Solarzellen bedeckt wird.

Dank seiner Breite könnte das Luftschiff mehrere Kabinen haben, die wie kleine Boote an der Unterseite angebracht sind.

Der Vorschlag wird auch der Clean Sky FP7 Initiative der Europäischen Union vorgelegt. Doch weder hier, noch auf IndieGoGo, kann das Team einen Erfolg verbuchen.


Im Juni 2013 berichtet die Presse über ein weiteres Konzept von Luftschiffen mit Solar-Antrieb, an dem ein wissenschaftlicher Verein aus der Westschweiz arbeitet. Hauptverantwortlicher ist Anibal Jaimes, Gründer, Präsident und Geschäftsführer der flughistorischen Vereinigung hepta.aero mit rund 200 Mitgliedern.

Bei dem bereits im Herbst 2009 lancierten 20 Mio. CHF Projekt SEARCH (SEmirigid Advanced ResearCH) arbeiten rund 70 Partner aus Wissenschaft und Industrie mit, ebenso wie auch politische und gesellschaftliche Institutionen, darunter die ETH Lausanne, die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa), die Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften, Logitech, Dassault Systems, die Stadt und der Kanton Neuenburg sowie das Bürgermeisteramt von Paris.

Ziel des Programms ist die Entwicklung eines Hightech-Konzepts für den Bau von halbstarren Luftschiffen mit Solar-Antrieb, die Winden von bis zu 90 km/h zu trotzen vermögen und vollautomatisch abheben, landen und fliegen können. Das Ergebnis soll dann Interessenten aus der Industrie zur Verfügung gestellt werden. Eine eigene Fertigung ist nicht geplant.

Nach dem Bau erster Prototypen wird nun das elektrisch angetriebene Luftschiff Iris Challenger 2 vorgestellt – das dann Anfang September, im Zuge der Luftfahrtmesse TransManche 2013, erfolgreich den Ärmelkanal überquert. Mit zwei Personen an Bord braucht das linsenförmige Fluggerät genau 2 Stunden und 23 Minuten dafür. Damit verbunden sind drei von der International Air Sports Federation anerkannte Weltrekorde: Flugzeit, Distanz (48,4 km) und Geschwindigkeit (im Durchschnitt 20 km/h). Ein früherer Versuch im November 2011 hatte noch zu einem Mißerfolg geführt. Von der deutschen Presse wird die ganze Sache völlig ignoriert.

Nach der Überquerung wird der mit zwei 7 kW Motoren und 130 cm durchmessenden Propellern ausgestattete sowie mit 568 m3 von Air Liquide gesponsertem Helium gefüllte Blimp, der bis zu 200 kg tragen kann, wieder zu hepta.aero nach Neuenburg gebracht, um dort auf Solarbetrieb umgerüstet zu werden. Was die Schweizer Firma ILAND Green Technologies SA machen wird, die für ihre robusten, mobilen PV-Systeme bekannt ist. Ein luftgefüllter Schwimmer gibt dem 6 m hohen und 14 m durchmessenden Luftschiff im übrigen die Fähigkeit, auch auf einer ruhigen Wasserfläche aufsetzen zu können.

LELIO Grafik

LELIO (Grafik)

Konzipiert und hergestellt wurde es von der Firma Airstar in Le Champ-près-Froges, dem weltweiten Marktführer für Beleuchtungsballons, der u.a. auch das Muskelkraft-Luftschiff Aéroplume hergestellt hat (s.d.). Bis zu einer kommerziellen Anwendung dürfte es allerdings noch etwas dauern, mit den ersten Flügen wird nicht vor dem Jahr 2020 gerechnet.

Derweil verfolgt der Airstar-Gründer Pierre Chabert mit seiner Non-Profit-Gruppe Transoceans seit 2013 das Ziel, ein umweltfreundliches, elektrisch betriebenes Personen- und Beobachtungsfluggerät zu entwickeln. Dabei wird als nächstes der Weltrekord für Geschwindigkeit ins Visier genommen, den man mit 120 km/h oder mehr brechen möchte. Bisheriger Rekordhalter ist Steve Fosset, der im Oktober 2004 mit einem Diesel-betriebenen Luftschiff der Zeppelin Luftschifftechnik (LZ N07-100) eine Fluggeschwindigkeit von 115 km/h erreichte.

Das hierfür geplante ultraschnelle LELIO Luftschiff ist ein völlig transparenter Einsitzer mit Heckantrieb, dessen Cockpit im Rumpf integriert ist. Die Polymer-Hülle umfaßt einVolumen von 300 m3. Mit seiner effizienten Lithium-Polymer-Batterie soll eine Reichweite von rund 200 km möglich sein.

Des weiteren ist für 2015 eine Mittelmeerüberquerung geplant, bei der ein ebenfalls in Planung befindliches Zweisitzer-Modell LELIO II zum Einsatz kommen soll, dessen 15 kWh Akku in Kombination mit einem 35 kW Motor eine Reisegeschwindigkeit von 70 km/h erreichbar macht. Im Jahr 2017 steht dann eine Atlantiküberquerung an, für welche das ebenfalls elektrisch betriebene, halbstarre Hybrid-Langstrecken-Luftschiff Stream Continental I entwickelt wird.

Dieses Luftschiff wird nicht nur mit 2.500 m3 Wasserstoff gefüllt, sondern mittels einer Brennstoffzelle auch mit diesem Gas betrieben. Dazu gibt es noch Hochleistungsbatterien, so daß die Stream Continental mehr als 5.000 km weit durch die Luft fahren kann. Je nach Entfernung lassen sich dabei 2 - 8 Passagiere unterbringen. Und wie ein Wasserflugzeug auf dem Wasser landen kann es auch.

Der revolutionäre Antrieb auf Basis eines zentral integrierten elektrischen 150 kW Propellers macht äußerlich sichtbare Propeller obsolet. Mit einer Reisegeschwindigkeit von 80 - 100 km/h soll es etwa 60 Stunden dauern, um den Atlantik zu überqueren.


Laut Schätzungen von Google leben gegenwärtig ca. 4,3 Milliarden Menschen ohne Internetzugang. Mit dem bereits 2011 gestarteten Projekt Loon for all will das Unternehmen im Endausbau rund 60 % von ihnen mit dem Internet verbinden. Die Umsetzung basiert auf großen heliumgefüllten Ballons, die in der Stratosphäre herumkreuzen und mittels ihrer 10 kg schweren Relaisstationen Internetanschlüsse bis in die entlegensten Ecken der Welt bringen.

Loon Ballon

Loon Ballon

Auf ihrer Betriebshöhe von 20 km ändert sich die Windrichtung bereits bei wenigen Metern Höhenunterschied, wodurch die Ballons ihre Flugrichtung mittels auf- und absteigen gezielt beeinflussen können. Die 12 m hohen und 15 m breiten Ballons bestehen daher aus zwei Polyethylen-Hüllen. Die Außenhülle wird mit dem Traggas Helium gefüllt, während sich im Inneren ein weiterer Ballon befindet, der Luft aufnimmt oder abgibt und dadurch das Steigen oder Fallen des Ballons auslöst. Die Energieversorgung erfolgt durch Solarzellen, die bis zu 100 W bereitstellen, und einen Fallschirm besitzen die Ballons auch noch.

Um ein kontinuierliches Internet zu ermöglichen, muß in einem Abstand von 40 km jeweils ein Ballon sein. Ihr Netzwerk ist daher so ausgerichtet, daß wenn ein Ballon weiterzieht, der nächste seinen Platz einnimmt. Ein von Google entwickelter Algorithmus soll sicherstellen, daß die Ballons dabei vollkommen autonom agieren können. Da die Ballons zudem fähig sind untereinander zu kommunizieren, können sie somit automatisch ein komplettes Kommunikationsnetzwerk aufbauen.

Bis Ende 2015 ist das Aussenden von bis zu 300 Ballons südlich der Äquatorebene auf dem Breitenkreis 40° geplant, der eine Abdeckung von Neuseeland, Australien, Chile und Argentinien bieten würde. Langfristig sollen dann sogar Tausende von Ballons in der Stratosphäre schweben. Mitbeteiligt an den Projekt ist übrigens auch die Firma Titan Aerospace, die selbst an einem riesigen, unbemannten Solarflugzeug namens Solara 50 arbeitet (s.d.).

Jetzt, im Juni 2013, beginnt ein Pilottest mit 30 Ballons, die von Neuseelands Südinsel aus gestartet werden und ca. 50 Einwohnern der Stadt Christchurch als Pilot-Tester Internetzugang bieten. Nach Verbesserung der Technologie werden weitere Forschungsflüge in Kaliforniens Central Valley durchgeführt und ab Mai 2014 gibt es einen erneuten Test in Brasilien, bei dem der Ort Campo Maior samt Schule versorgt wird. Im US-Bundesstaat Washington fliegt im Juni ein Ballon gegen Hochspannungsleitungen und verursacht einen Stromausfall in der Nähe der Kleinstadt Harrah.

Während die Ballons bei den ersten Testflügen in Neuseeland bestenfalls ein paar Tage in der Luft blieben, konnte Google seither durch kontinuierliche Verbesserungen die durchschnittliche Flugzeit um ein Vielfaches steigern. Nicht selten sind sie 75 Tage unterwegs, und ein Ballon umrundet den Globus sogar dreimal vor seinem Abstieg. Mit seiner ersten Weltumrundung in 22 Tagen stellt er dabei sogar einen neuen Weltrekord auf. Insgesamt legen Googles Ballons bis Mitte 2014 mehr als 1,5 Millionen km zurück.

Ohne Verluste geht es aber noch immer nicht, und im November findet ein Schafzüchter in Südafrika einen abgestürzten Google Loon Ballon. Im Dezember geht Google eine projektbezogene Partnerschaft mit dem französischen Centre national d’études spatiales (CNES) ein. Außerdem wird in diesem Jahr bekannt, daß Google den Einstieg ins Satellitengeschäft plant und angeblich mehr als 1 Mrd. $ in den Aufbau einer aus Flotte 180 kleinen Satelliten im erdnahen Orbit investieren will. Diese Pläne werden allerdings schon Mitte 2015 wieder gestrichen, weil die Kosten einfach zu hoch sind und in keinem Verhältnis zu möglichen Einnahmen stehen.

Projekt Loon geht dagegen weiter. Nachdem im November 2014 eine Rekordleistung von 130 Tagen erreicht wird, kann Anfang März 2015 eine kontinuierliche Ballonfahrt von 187 Tagen registriert werden. Google kann derweil mit eigenen Fertigungsanlagen und automatisierten Systemen einen Ballon in wenigen Stunden bauen. Zudem wurde eine automatisierte Startrampe gebaut, von der aus die Ballons in die Luft gehen.


Im März 2014 wird aus Frankreich das neue Projekt eines autonomen Flugkörpers bekannt, der als eine Mischung aus Drohne und Satellit beschrieben wird. Das von der Form an die klassischen Zeppelin-Luftschiffe erinnernde Fluggerät soll auf einer Höhe von 20.000 m Langzeitüberwachungen, Übertragungen und Navigationsdienstleistungen ermöglichen. Der StratoBus der Luft- und Raumfahrtkonzerns Thales Alenia Space soll dabei fünf Jahre ohne Unterbrechung am Himmel schweben.

StratoBus Grafik

StratoBus (Grafik)

Geplant ist der aus Carbonfasern konstruierte Stratosphären-Zeppelin in einer Länge von 70 – 100 m und einem Durchmesser von 20 – 30 m. Mit Wasserstoff gefüllt liegt die maximale Nutzlast bei 200 kg. Um die Abdrift zu minimieren soll sich der Zeppelin mit seiner dicken Spitze immer in den Wind drehen, wobei die zwei Propeller Windgeschwindigkeiten von bis zu 90 km/h widerstehen können.

Bei der Energieversorgung werden Solar- und Brennstoffzellen kombiniert, wobei ein Teil des Sonnenstroms dazu genutzt wird, Wasser per Elektrolyse aufzuspalten. Der Wasserstoff wird gespeichert, damit die Brennstoffzellen auch nachts Strom erzeugen können. Das System kann so rund um die Uhr 5 kW Energie liefern.

Ungewöhnlich am Aufbau des Stratobus ist, daß sich die Solarzellen im Innern des Luftschiffs befinden, dessen Außenhaut in einem großen Segment transparent ist und um die Längsachse des Luftschiffes rotieren kann um sicherzustellen, daß die durchsichtige Seite stets der Sonne zugewandt ist. Da der nicht transparente Teil der Außenhülle zusätzlich als Spiegel fungiert, der weiteres Sonnenlicht auf die Solarzellen lenkt, wird die Lichtintensität dort etwa verdreifacht – was die Stromausbeute erhöht, kleinere Solarpanels möglich macht und damit Gewicht spart. Das Reflektorsystem hat sich der Hersteller patentieren lassen.

In den kommenden drei Jahren will man nun das robuste Material für die Hülle und die besonders leichten regenerativen Brennstoffzellen entwickeln. Das erste Luftschiff soll dann in spätestens fünf Jahren abheben um Grenzen und Verkehrsströme zu überwachen, Lecks an Ölplattformen und Waldbrände aufzuspüren und gleichzeitig ein schnelles mobiles Internet zu ermöglichen.


Das Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Kalifornien, veröffentlicht im November 2014 eine erste Aufforderung an Industrie und Wissenschaft, Innovatoren und Enthusiasten, potentielle Luftschiff-Designs einzureichen. Unter dem Titel 20-20-20 Airship Challenge soll die Entwicklung innovativer Zeppeline mit der Fähigkeit, in der Stratosphäre der Erde eine hohe Position zu erhalten, gefördert werden.

Als Anreiz plant die NASA ein Preisgeld in Höhe von 2 – 3 Mio. $ auszuloben, das zwischen zwei Wettbewerbsstufen aufgeteilt werden soll. Die Stufe 1 würde von den Teilnehmern ein Luftschiff fordern, das mit einer Nutzlast von 20 kg eine stabile Höhe von 20 km erreicht, wo es 20 Stunden lang eine feste Position in einem Kreis von 5 km Durchmesser einzunehmen und anschließend mit intakter Nutzlast sicher zum Boden zurückzukehren hat. Davon ist auch der Name abgeleitet: 20 km – 20 Stunden – 20 kg.

In der 2. Stufe, die dem selben Muster der ersten folgt, muß das Luftschiff dann schon eine Nutzlast von 200 kg auf die genannte Zielhöhe bringen und dort für einen Zeitraum von 200 Stunden verbleiben.

Die Agentur hofft, den vom Keck Institute for Space Studies am California Institute of Technology (Caltech) vorgeschlagenen Wettbewerb im Jahr 2015 offiziell ausschreiben zu können und die beiden Stufen innerhalb der darauf folgenden 3- 4 Jahre zu durchlaufen.

Venus-Luftschiffe Grafik

Venus-Luftschiffe
(Grafik)

Im Dezember folgt eine weitere Meldung seitens der NASA, derzufolge man ein Konzept entwickelt habe, damit Menschen in Luftschiffen über den giftigen Schwefelsäure-Wolken der Venus leben können, wo verhältnismäßig erdähnliche Bedingungen herrschen und die Luftschiffe mit Solarenergie betrieben werden können. Dort, in etwa 50 km Höhe, ist der Atmosphärendruck etwa so hoch wie auf der Erde, und auch die Temperaturen um die 75°C sind technisch beherrschbar – verglichen mit dem 90-fachen Luftdruck und Temperaturen über 450°C auf der Oberfläche der Venus.

In den veröffentlichten Computergrafiken des Havoc (High Altitude Venus Operational Concept) genannten Projekts, das Wissenschaftler am Langley Research Center der NASA im US-Bundesstaat Virginia entwickelt haben, ist eine kleine Stadt aus großen, silbern glänzende Kuppeln zu sehen, die über den Wolken schwebt und als auch Station für Explorations-Luftschiffe dient. Die mit Helium gefüllten und etwa 130 m langen Luftschiffe, in deren Gondeln sich die Astronauten aufhalten sollen, wären an ihrer Oberseite mit Solarzellen versehen und hätten eine Kapsel an Bord, mit der die Astronauten die Atmosphäre der Venus auch wieder verlassen könnten.


Im Juni 2015, und nach drei Jahren Entwicklungsarbeit, startet ein Entwickler-Team mit dem poetischen Namen Windreiter ein Crowdfunding-Projekt auch der Plattform Startnext, um ein ferngelenktes Mini-Luftschiff auf den Markt zu bringen, das gegenüber Multikoptern einige Vorteile bietet: es ist leise, kann in der Luft stehenbleiben, ohne Energie zu verbrauchen und ist Helium-befüllt auch völlig sicher. Die Windreiter sind aus einem Studentenprojekt hervorgegangen, das sich seit 2007 mit Luftschiffdesign beschäftigt.

silent_runner

silent_runner

Der Schiffskörper des silent_runner der aktuellen, vierten Generation ist 2 m lang und hat eine Abflugmasse von 250 g, wobei die Nutzlast 40 g beträgt. Angetrieben wird das Prallluftschiff von zwei bürstenlosen Elektromotoren, die es auf bis zu 4 m/s beschleunigen. Die Flugzeit mit dem 500 mAh Akku soll bis zu einer Stunde betragen.

Das Luftschiff eignet sich für Flüge in geräumigen Hallen; bei Windstille kann es aber auch draußen gefahren werden. Die gesamte Konstruktion ist im Web unter einer Creative-Commons-Lizenz bis ins Detail dokumentiert.

Ein flugfertiges Luftschiff soll 400 € kosten, den fast kompletten Bausatz inklusive Luftschiffhülle würde es für 200 € geben. Tatsächlich ist die (bescheidene) Kampagne erfolgreich, und statt der benötigten 4.000 € kommen 9.500 € zusammen.


Zum Abschluß dieses Updates noch einige Querverweise:

Im Kapitel Muskelkraft stelle ich verschiedene, zumeist mittels Pedalen betriebene Kleinluftschiffe vor (s.d.).

Eine grandiose Designarbeit aus dem Französisch-Belgischen Büro Vincent Callebaut Architectures befaßt sich mit ökologischen Luftschiffen, die durch Bio-Wasserstoff aus Algenfarmen angehoben über Shanghai den Himmel bevölkern sollen. Über das Konzept Hydrogenase werde ich ausführlicher im kommenden Update des Kapitels Wasserstoff berichten.

Und Luftschiffe, die als fliegende Windenergieanlagen eingesetzt werden sollen, behandle ich im Kapitel Andere Windenergie-Systeme.

Nun geht es noch etwas höher hinaus - in den Weltraum, wo man ja auch gerne mobil sein möchte...


Weltraum-Sonnensegel


Um 1616 beobachtet der Astronom Johannes Kepler den Einfluß von Licht auf Kometenschweife, doch erst die Arbeiten von James Clerk Maxwell zum Elektromagnetismus von 1873 können dieses Phänomen erklären.

Zwei französische Science Fiction-Autoren, Henry de Graffigny und Georges le Faure, stellen in ihrem 1889 erschienenen Roman Aventures Extraordinaires d’un Savant Russe das Konzept eines Raumschiffs mit einem großen Spiegel vor, das zu seinem Antrieb den Druck des Sonnenlichts sammelt. Überhaupt reflektiert sich bei dieser Technologie die gegenseitige Beeinflussung futuristischer Visionen und ingenieurtechnischer Umsetzungen höchst eindrucksvoll wieder.

Tatsächlich können – wie bei den durch irdischen Wind angetrieben Segelschiffen – auch im Weltall große Lichtsegel entfaltet werden, die mit ihrem extrem dünnen reflektierenden Material auch auf den sehr viel schwächeren, aber nie versiegenden Schub des Teilchenstroms reagieren, der als Solarwind oder Sonnenwind bekannt ist.

Dieser besteht im wesentlichen aus erhitzten Elektronen und Protonen sowie aus Heliumkernen, also einem Plasma, das mit einer mittleren Geschwindigkeit von 350 - 400 km/s von der Sonne weggeschleudert wird (andere Quellen: durchschnittlich 500 km/s), wobei im interplanetaren Raum auf einen Kubikzentimeter etwa 10 ionisierte Atome kommen (andere Quellen: bis zu 100). Dabei haben die die chemischen Elemente des Sonnenwindes unterschiedliche Geschwindigkeiten,  verschiedene Temperaturen und – sehr seltsam – die Temperaturen ändern sich mit der Richtung. Wie Wissenschaftler am NASA Goddard Space Flight Center um Adam Szabo im März 2013 berichten, stammt die Quelle der Erwärmung des Sonnenwinds aus Ionen-Zyklotron-Wellen, die um das Magnetfeld der Sonne kreisen.

Mit einem genügend großem Segel lassen sich diese Teilen einfangen und als treibende Kraft für ein Raumschiff oder eine Sonde verwenden. Nach Erreichen der höchstmöglichen Geschwindigkeit von 400 km/s kann diese durch den Sonnenwind nicht noch weiter beschleunigt werden ... doch auf ein Sonnensegel wirkt ja auch noch der Strahlungsdruck der Photonen ein. Dies erlaubt einem Solarsegler, nahezu ohne Begrenzungen Kurs durch das Sonnensystem zu nehmen. In Erdentfernung übt das Licht der Sonne einen Schub von 9 Mikro-Newton auf jeden Quadratmeter Segel aus, entsprechend 900 g Masse auf jeden Quadratkilometer. Die Energie wird hierbei ohne Zwischenspeicherung direkt umgesetzt.

Wegen des geringen Drucks der Lichtteilchen beschleunigt ein Solarsegel zuerst zwar nur mit 18 cm pro Stunde, doch je länger das Sonnenlicht auf das Segel wirkt, desto schneller wird es. Nach 100 Tagen liegt die Geschwindigkeit bei rund 16.000 km/h und nach drei Jahren sogar schon bei 160.000 km/h. Zumindest in der Theorie ist es möglich, mit dieser Technologie nahe an die Lichtgeschwindigkeit heranzukommen. 

1915 werden in Rußland die ersten ernsthaften Überlegungen zum photonischen Antrieb von Yakov Pelerman veröffentlicht, und 1924 entwerfen die russischen Raumfahrtpioniere Konstantin Ziolkowski und Friedrich Zander das erste Sonnensegel-Konzept.

Der Luftfahrtingenieur Carl Wiley beschreibt im Mai 1951 in einem wissenschaftlichen Artikel (und unter dem Pseudonym Russell Saunders) des Astounding Science Fiction Magazin die ,Clipper Ships of Space’, und 1955 entwickelt Hermann Oberth das Konzept von Spiegeln im All, das er in seinem Werk ,Menschen im Weltraum’ beschreibt.

Solar Butterfly

Solar Butterfly

Das Design eines Solar Butterfly mit einem abweichenden solar-elektrischen Antrieb erscheint im Januar 1956 in einem längeren Artikel des US-Magazins Mechanix Illustrated – also zu einer Zeit, in der weder die USA noch die damalige UdSSR schon einen Satelliten in der Umlaufbahn hatten. Der Vorschlag des deutschstämmigen Raketenexperten Dr. Ernst Stuhlinger bezieht sich auf einen Ionen-Raumschiffantrieb mit elektrisch erzeugtem Cäsium- oder Rubidium-Dampf, dessen Energiebedarf von insgesamt etwa 8 MW durch 40 große Solar-Parabolspiegel von jeweils 15 m Durchmesser erzeugt werden soll. Ein derartiges Raumschiff würde etwa 250 t wiegen und 10 Personen plus 250 t Nutzlast transportieren können. Die Reisezeit aus dem Erdorbit bis zum Mars würde ein Jahr betragen.

Mitte der 1950er Jahre stellt auch der französische Schriftsteller Pierre Boulle in seinem SF-Buch ‚Der Planet der Affen’ Sonnensegler vor, die in der späteren Verfilmung leider nicht vorkommen. Der Ausdruck Sonnensegler erscheint erstmals 1958 in einem Artikel des US-Magazins Jet Propulsion, in dem der amerikanische Ingenieur Richard Gamin auch technische Berechnungen eines derartigen Antriebssystems veröffentlicht – und damit u.a. auch den später berühmten SF-Autor Arthur C. Clarke (Space Oddity 2001) zu dessen 1964 erschienenen Kurzgeschichte ,The Wind from the Sun’ inspiriert, in welcher es um eine Sonnensegler-Regatta von der Erde zum Mond geht. Die ursprünglich ,Sunjammer’ genannte Story erscheint in der Märzausgabe des Magazins Boy’s Life, dem Periodikum der Boy Scouts of America.

Weitere SF-Geschichten und Romane, in denen Solarsegel vorkommen, sind u.a. ,The Lady Who Sailed The Soul’ (1960) und ,Think Blue, Count Two’ (1963) von Cordwainer Smith (Pseudonym von Paul M. A. Linebarger), ,Sail 25’ von Jack Vance (1962), ,A Mote in God’s Eye’ von Larry Niven und Jerry Pournelle (1974, dt.: Der Splitter im Auge Gottes, 1977), ,Sunjammer’ von Poul Anderson (1964), ,Windhaven’ von George R. R. Martin und Lisa Tuttle (1981, dt.: Sturm über Windhaven, 1985) sowie ,Flight of the Dragonfly’ von Robert L. Forward (1984, dt.: Der Flug der Libelle, 1985).

Bei Forward kommt eine Linse von der Größe des Staates Texas (eine sogenannte Fresnel-Zone) zwischen Saturn und Neptun vor, die das Licht von mehreren Tausend um den Merkur kreisenden Sonnenkollektoren bündelt. Diese solargepumpten Laser haben eine Sammelleistung von 65 GW.

In Larry Nivens ,Tales of Known Space’ (1975) werden Lichtsegel wiederum verwendet um Raumschiffe so stark zu beschleunigen, daß interstellare Staustrahltrichter genutzt werden können. Nivens Lichtsegel werden fast immer von riesigen Lasern angetrieben, die entweder auf Schienen auf dem Merkur oder auf Asteroiden im Gürtel zwischen Erde und Mars plaziert sind.


Doch auch in der Realität geht es weiter voran. Ted Cotter schlägt 1958 am Los Alamos Scientific Laboratory die Entwicklung eines rotierenden Solarsegels vor, was dem Time Magazine ein Editorial mit dem Titel ,Trade Winds in Space’ wert ist. Die Rotation wird als ein Mittel zur Stabilisierung eines Segels ohne Struktur betrachtet, die Mechanismen für die Kontrolle erweisen sich allerdings als sehr kompliziert.

Zu den weiteren Aktivisten der Bewegung gehört der Physiker Robert Forward, der die Solarsegel-Idee auf interstellare Flüge ausdehnt und auch erste Konzepte für Laser-Segel und Mikrowellen-Segel entwirft, Jerome Wright, ein Ingenieur am Battelle Memorial Institute, sowie Philippe Villers, der 1960 seinen Master am Massachusetts Institute of Technology (MIT) mit einer Arbeit über Solarsegel abschließt.

Und erstmals erfolgt auch eine Umsetzung. Im Jahr 1970 wird die Wirkung des Solar-Drucks zur Ausrichtung der Sonde Mariner 10 während ihres Fluges zur Venus und zum Merkur genutzt, wobei der Druck auf kleine Platten, die wie Schaufeln in unterschiedlichen Winkeln zur Sonne geneigt sind, die Sonde in eine (gewünschte) Rotation versetzt.

SSUJ Sonnensegel Grafik

SSUJ Sonnensegel
(Grafik)

Als NASA und ESA 1973 über das Rendezvous eines Raumfahrzeugs mit dem Halleyschen Kometen im Jahr 1986 nachdenken, wird ein Forschungsprogramm für Sonnensegler initiiert, das 1977 aus finanziellen Gründen allerdings wieder fallengelassen wird. Mitverantwortlich für das neuerwachte Interesse der NASA an Solarsegeln ist der bereits o.e. Ingenieur Richard Gamin.

Mehrere Wissenschaftler und Techniker des Jet Propulsion Laboratory (JPL) gründen daraufhin 1979 die World Space Foundation (WSF) mit dem Ziel, die technische Durchführbarkeit des Sonnensegelns zu beweisen.

Im Jahr 1981 schließen sich dann auch in Europa verschiedene Raumfahrt-Profis mit Interesse an Sonnenseglen zusammen, um die Union pour la Promotion de la Propulsion Photonique (U3P) zu gründen, deren Ziele denen der World Space Foundation gleichen. Die Initiatoren stammen hauptsächlich aus den französischen staatlichen Forschungsunternehmen Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales (ONERA) und Centre National d’Études Spatiales (CNES).

1982 folgt die Gründung einer ähnlichen Institution in Japan. Hier wird die Solar Sail Union of Japan (SSUJ) von den Ingenieuren des Institute of Space and Astronautical Science (ISAS) gegründet.

Von 1985 stammt ein Comic von Olivier Boisard, einem Mitglied der U3P, das auf der o.g. Kurzgeschichte von Arthur C. Clarke beruht (dort unter Solar Sails Gallery / The Comic Strip). Boisard zeichnet auch eine ganze Reihe von Solarsegelkonzepten und -designs, die auf der U3P-Seite zu sehen sind.

Das Buch ,Starsailing: Solar Sails and Interstellar Travel’ von Louis Friedman erscheint 1988. Er ist Mitinitiator der 1980 von Carl Sagan und Bruce Murray gegründeten Planetary Society, einer gemeinnützigen Organisation zur Förderung der Erforschung des Sonnensystems und der Suche nach außerirdischem Leben (s.u.). Sagan hatte das das Konzept der Solarsegel bereits im September 1967 in Johnny Carsons US-Fernsehsendung The Tonight Show vorgestellt.

1991 tritt der U3P eine spanische Gruppe namens Comision Vela Solar bei, mit dem Plan, schon 1992 ein Solarsegel zu entwickeln und zu bauen. In Paris wird daraufhin das Earth Moon Race Committee gegründet, um die Idee einer Sonnensegler-Regatta zwischen Erde und Mond zu verwirklichen. Doch auch dieser Vorschlag wird bald darauf noch übertroffen.

Zum 500. Jahrestag der Entdeckung Amerikas durch Christopher Kolumbus schlägt der amerikanische Ökonom Klaus Heiss im Jahr 1992 vor, eine zukünftige Sonnensegel-Regatta von der Erde zum Mars zu organisieren, deren Wendeboje der Mond sein soll.

Teilnehmen sollen drei Solar-Segler – weil Kolumbus ebenfalls mit drei Schiffen unterwegs gewesen war. Für die USA könnte das Solar Sail Race Vehicle der World Space Foundation ins Rennen gehen, das mit seinem silberbedampftem 3.000 m2-Kunststoffsegel an einen quadratischen Kinderdrachen erinnert, sowie der nur 20 kg wiegende Heliogyro-Segler des MIT mit acht Segelblättern von jeweils 170 m Länge.

Technisch führend scheint allerdings das Modell der englischen Firma Cambridge Consultants zu sein, dessen Segel sich scheibenförmig um die Nutzlastkapsel auffaltet und bei 276 m Durchmesser eine Rekordfläche von 60.000 m2 erreicht. Dank verstellbarer Rippen kann das Segel außerdem Schüssel- oder Sattelform annehmen. Enttäuschenderweise finden sich aber keine Sponsoren für den Columbus 500 Space Sail Cup, und der Bau der Klipper wird nicht realisiert.


Im Jahr 1993 und nochmals 1999 werden an der russischen Raumstation MIR (1986 – 2001) die Entfaltungsmechanismen von Foliensegel und deren Lagekontrolle getestet, wobei das Experiment dem Plan dient, mit viel größeren Reflektoren nordrussische Städte zu erhellen.

Bislang habe ich Details nur über den ersten Versuch namens Znamya-2 gefunden, bei dem ein ferngesteuerter Progress-M 15 Raumtransporter in 230 m Entfernung von der Raumstation zur Lagestabilisierung in Rotation versetzt wird, um dann den 40 kg schweren Reflektor aus einer dünnen Folie an einer elektrisch angetriebenen Achse durch Zentrifugalkraft auf einen Durchmesser von 20 m aufzuspannen. Da sich die Kanten der acht am Umfang verbundenen Foliensegmente nicht vollständig entfalteten, bleibt das Ergebnis allerdings unbefriedigend.


Bei einem Advanced Propulsion Research Workshop der NASA im April 1999 schlägt Robert Zubrin die Entwicklung magnetischer Segel vor, die anstelle von Sonnenlicht den Sonnenwind als Antriebskraft nutzen. Außerdem existieren irdische, andere planetare, solare und übergeordnete galaktische Magnetfelder, von denen sich ggf. ebenfalls Gebrauch machen läßt.

Eine verspiegelte Folie ist für das Magnetsegeln (o. Magsailing) aber ungeeignet, denn diese würde von den Ionen einfach durchschlagen werden. Zubrin, der u.a. auch eine nukleare Salzwasserrakete und später das Mars Direct Konzept vorgeschlagen hat, beschreibt sein Segel als Kabelschleife aus supraleitendem Material, z.B. Niob-Titan oder Niob-Zinn Legierungen, die von einem Raumschiff abgewickelt wird. Im interplantaren Raum sind aber Hochtemperatur-Supraleiter erforderlich, da es hier wärmer ist als die 2,7 Kelvin, die im interstellaren Raum herrschen.

Der vom Raumschiff aus in die Kabelschleife induzierte Strom kreist verlustlos im Kabel und verursacht ein Magnetfeld, das wiederum Zugkräfte erzeugt, die auf die Schleife wirken und zu einer stabilen Kreisform führen. Der Teilchenstrom des Sonnenwindes trifft wiederum auf das kreisförmig ausgedehnte Magnetfeld und erzeugt einen Druck, der sich über die Kabel auf das Raumschiff überträgt.

Als Rechenbeispiel nennt Zubrin eine Magnetschleife mit einem Radius von 31,6 km, deren Kabeldurchmesser 2,5 mm beträgt und die mit einer Stromstärke von 50.000 Ampere aktiviert wird. Und während die Masse der Schleife nur 5 Tonnen beträgt, läßt sich damit eine Fläche von rund 2.800 km2 umfangen. Dabei kann der Strom von einer kleinen 10 kW Anlage innerhalb von zwei Stunden aufgebaut werden. Zwar ergibt sich bei der Sonnenwinddichte auf der Erdbahn nur eine Beschleunigung von 0,0172 m/s2, aber der Aufwand ist viel geringer, als wenn man die Beschleunigung mit einem gleichgroßen Sonnensegel erzeugen wollte.

Und auch im mittleren Sonnensystem ist das Magnetsegeln dem Lichtsegeln überlegen, da die Leistungsdichte (also das Verhältnis Schub zu Nutzlast) beim Magnetsegeln zwischen 50 und 100 mal so groß ist wie beim Sonnensegeln. Und dies, obwohl der Lichtdruck pro Fläche mehr Kraft ausübt als der Sonnenwind. Der Grund liegt darin, daß das Equipment viel leichter ist als ein großes Lichtsegel. Außerdem ist es robuster und leichter zu handhaben als ein sein fragiles Gegenstück. Ein weiterer signifikanter Vorteil ist, daß sich die Nutzlast innerhalb des selbst erzeugten Magnetfeldes befindet, was den besten Schutz für Astronauten vor ionisierten Teilchen darstellt.

Trotzdem sind solche Magnetsegel begrenzt, weshalb R. M. Winglee von der University of Washington den Vorschlag macht, ionisiertes Gas (Plasma) zu injizieren, das die magnetischen Feldlinien weiter auseinander ziehen und eine Blase von 30 – 60 km im Durchmesser erzeugen würde. Das Magnetfeld von 0,1 Tesla könnte dabei durch eine herkömmliche Spule erzeugt werden, wobei nur 3 kg Helium als Plasma-Kraftstoff ausreichen sollen, um die Magnetblase drei Monate lang zu betreiben. Deren Größe würde sich in Abhängigkeit vom Sonnenwind – der durch Sonneneruptionen böig sein kann – ausdehnen und zusammenziehen, damit die auf die 100 kg schwere Raumsonde wirkende Kraft konstant bei 1 Newton bleibt. Die 3 kW Leistung, um den Magneten und den Plasmagenerator zu betreiben, sollen durch Solarzellen geliefert werden.

Ab 2008 plant das Finnische Meteorologische Institut den Bau eines elektrischen Sonnensegels (siehe unten).


Das Deutsch-Europäische Projekt Solar Sail von DLR und ESA zeigt 1999 bei einer Bodendemonstration die Entfaltung eines 20 × 20 m großen Sonnensegels. Die Entwicklung besteht aus zwei Kohlefaser-Halbschalen mit zusammengeklebten Rohren, die aufgerollt transportiert werden. Zum Entfalten der Mylar- oder Kaptonsegel werden die Rohre per Elektromotor ausgerollt, wobei sie ihre ursprüngliche Steifigkeit zurückerhalten. Die weiteren Schritte verlaufen allerdings sehr zögerlich.

Erst 2006 wird eine weitere erfolgreiche Demonstration im Orbit mit einem Solarsegel von 28 m Spannweite durchgeführt.

Solar Sail des DLR

Solar Sail des DLR

Im Jahr 2010 hat die ESA dann ihre Vorstudien zu GeoSail abgeschlossen, einem Konzept zur Erforschung der Erdmagnetosphäre. Eine Realisierung ist bislang noch offen.

Das Solarsegel-Projekt der DLR und der ESA mit dem namen Gossamer-1 betrifft wiederum eine Mission zur Technologie-Demonstration, die in drei Stufen angegangen werden soll. Für 2013 ist der Start eines 5 x 5 m großen Segels geplant, dessen Entfaltung in 320 km Höhe von vier Kameras dokumentiert werden soll.

Gossamer-2, ein Segel mit den Maßen 20 x 20 m, soll 2014 rund vier Wochen lang in 500 km Höhe getestet werden, während 2015 die Sonde Gossamer-3 ihr 50 x 50 m großes Solarsegel in einem Orbit oberhalb von 10.000 km Höhe entfalten und anschließend einen Vorbeiflug am Mond absolvieren soll.


Die Missionsplanung des Weltraumseglers Cosmos 1 der privat finanzierten amerikanisch-russischen Forschungsgesellschaft Planetary Society in Pasadena beginnt im Jahr 2000, kostet 3,3 Mio. € und wird mit Sponsorengeldern finanziert. Die am Babakin Space Center gebaute 100 kg schwere Sonde soll in einem 800 km hohen Orbit eine neue Sonnensegel-Antriebstechnik testen.

Ihre acht dreieckigen und jeweils 15 m großen Segel aus Aluminium-beschichtetem Mylar (= Polyethylenterephthalat, wie bei sogenannten Rettungsdecken verwendet) sind wie die Blätter eines Hubschraubers angebracht und frei beweglich. Das Material ist 5 µm dick (etwa 20 Mal dünner als ein menschliches Haar) und gilt derzeit als das leichteste bekannte Gewebe bei höchster Festigkeit.

Der Start 2001 von einem russischen U-Boot in der Barentssee geht jedoch schief. Nach Angaben der russischen Raketenbaufirma Makejew setzt der Antrieb der ersten Stufe der Trägerrakete aus, und die umgebaute Militärrakete vom Typ Wolna verfügt über keine Ersatzzündung. Auch ein weiterer Versuch 2005 endet mit einem Raketenfehler.

LightSail Grafik

LightSail (Grafik)

Aufgegeben wird trotzdem nicht. Im Rahmen des Projekts LightSail will die Planetary Society Ende 2010 endlich zeigen, daß Sonnensegel eine reale und praktikable Möglichkeit für die Raumfahrt sind. Die Sonde LightSail-1 mit einem Gewicht von rund 5,5 kg und einer Segelfläche von etwa 32 m2 Mylar soll in einer Flughöhe von 800 km zeigen, daß ein Sonnensegler kontrolliert in Erdnähe operieren kann. Mit dem LightSail-2 will man später weiter ins Sonnensystem hinaus fliegen, und LightSail-3 soll bereits wissenschaftliche Arbeit leisten und vor Sonnenstürmen warnen. Das neue Sonnensegel-Projekt wird durch eine anonyme Mehrmillionen-Dollar-Spende gefördert.

Ein UltraSail genanntes System wird wiederum 2003 von der in Champaign, Illinois, beheimateten Firma CU Aerospace in Zusammenarbeit mit einem Team der University of Illinois konzipiert. Es handelt sich um ein sehr großes und extrem leichtes Sonnensegel-Konzept von mehreren Quadratkilometern Fläche, das mit seinen rotierenden ‚Blättern’ eine Vielzahl von interplanetaren und Lagrange-Punkt- Missionen möglich machen soll.

Das Unternehmen und die Universität werden damit beauftragt, ein Low-Cost-Flugexperiment auf Grundlage des UltraSail-Konzepts vorzubereiten. Das CubeSail genannte Experiment soll zwei CubeSat-Satelliten nutzen, um in der Umlaufbahn ein 20 m2 großes Sonnensegel zu entfalten und die Funktionstüchtigkeit der neuen Technologie zu belegen. Der Start des ersten CubeSat ION-1 der University of Illinois im Jahr 2006 geht aber schief und die Rakete stürzt ab. Der Test eines weiterentwickelten ION-2 Satellit (später: IlliniSat-2) wird für 2009 angesetzt, später jedoch verschoben.

Die ursprünglich von Forschern der Stanford und California Polytechnic State University entwickelten kubischen CubeSats haben eine Standard-Gerätegröße von 10 x 10 x 10 cm, können gestapelt werden, dürfen bis zu 1,3 kg wiegen und werden für weniger als 50.000 $ gebaut. Das LightSail beispielsweise ist ein CubeSat, der sich aus drei Einheiten zusammensetzt.

Tatsächlich ist erst wieder im Februar 2015 wieder von dem Projekt zu hören, als die Planetary Society ankündigt, daß das LightSail Raumschiff im Mai seinen ersten Testflug machen wird. Der solarbetriebene CubeSat soll mit einer Atlas-V-Rakete von der Cape Canaveral Air Force Basis in Florida aus in den Orbit gebracht – als Huckepack-Nutzlast zusammen mit dem unbemannten Raumgleiter X-37B der US Air Force.

LightSail Test

LightSail Test

Das LightSail besteht aus einem rechteckigen Elektronikpaket von der Größe eines Brotlaibs, das von der Firma Stellar Exploration Inc. aus San Luis Obispo in Kalifornien entwickelt wurde, sowie dem Antriebssystem in Form eines 32 m2 großen Segels aus reflexiver Mylar-Folie, das sich mittels vier 4 m langen Auslegern entfaltet. Die Herausforderung bildet ein Design, das leicht genug ist, um von der Sonne geschoben zu werden, und gleichzeitig stabil genug, um nicht zu kollabieren.

Der aktuelle Test soll bis zu vier Wochen dauern und die Fähigkeit des Raumfahrzeugs belegen, seine Sonnensegel zu entfalten. Aufgrund der sehr niedrigen Umlaufbahn wird allerdings kein kontrollierter Solarflug durchgeführt werden können, dafür wird es möglich sein, die Lagesteuerungssystem zu testen und das Verhalten des Segels zu überwachen.

Nach dem Start am 20. Mai hört das LightSail jedoch am 22. Mai auf zu senden, vermutlich aufgrund eines Design-Fehlers in der Avionik-Software, was zum Absturz des Computers führt. Der Planetary Society zufolge ist der Ausfall wahrscheinlich der kosmischen Strahlung geschuldet, die bei Satelliten-Computern häufig Neustarts erforderlich macht. Nach einer Pause vor mehr als einer Woche kann Bill Nye, Geschäftsführer der Planetary Society, allerdings zufrieden vermelden, daß sich der Sonnensegel-Technologie-Demonstrator wieder selbst neu gestartet hat.

Nach einen Batterieproblem, das aber ebenfalls gelöst werden kann, wird am 7. Juni die erfolgreiche Entfaltung des Segels gefeiert, das dann auch gleich ein ,Sailfie’-Foto von sich zur Erde sendet.

Ein zweiter LightSail-Flug wird voraussichtlich im Jahr 2016 stattfinden, wobei dann auch das Sonnensegeln in der Erdumlaufbahn demonstriert werden soll. Das Segel wird im Inneren des kleinen Prox-1 Satelliten der Virginia Tech Universität installiert und soll mit Hilfe der neuen Falcon 9 Rakete von Elon Musks Firma SpaceX in einen Orbit von 720 km Höhe gehievt werden.

Dort wird Prox-1 das LightSail in den offenen Raum entlassen und es bei einem späteren Rendezvous überprüfen. Wenn das LightSail dann seine Sonnensegel entfaltet wird Prox-1 in der Nähe sein, um Bilder von dem großen Moment zu machen. Drei elektromagnetische Drehstäbe an Bord des LightSail werden mit dem Magnetfeld der Erde in Wechselwirkung treten und das Raumfahrzeug ausrichten. Gleichzeitig soll ein bodengestützter Laser die Wirkung des Sonnenlichts auf das Segel messen.

Um dies zu realisieren, startet Nye im Mai 2015 eine Kickstarter-Kampagne, bei der 200.000 $ eingesammelt werden sollen. Wobei zur Durchführung der Mission insgesamt allerdings 1,2 Mio. $ benötigt werden. Und obwohl für die Beteiligten kein direkter Profit oder irgendein technisches Gadget dabei herausspringt, kommen innerhalb der Laufzeit von rund zwei Monaten sogar 1.241.615 $ zusammen, was beweist, daß die Menschheit doch nicht so dumm ist, wie oftmals behauptet.


Im Jahr 2002 denkt das spanische Unternehmen Deimos Space aus Madrid über Lösungen nach, wie man einen Asteroiden von seinem Kollisionskurs mit der Erde abbringen kann. Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie für die Europäischen Weltraumagentur Esa wird eine Mission mit dem Namen Don Quichotte vorgeschlagen, bei der zwei Raumfahrzeuge, Hidalgo und Sanchez, zu einem geeigneten Asteroiden starten, wobei Hidalgo dabei als Projektil dient und mit einem hohen Tempo von rund 10 km/s auf den Himmelskörper prallen soll, um seine Bahn leicht zu verändern. Sancho wird derweil die Folgen des Einschlags aus sicherer Distanz beobachten.

Weshalb das Projekt hier erwähnt wird: Als alternativer Ansatz wird auch in Betracht gezogen, auf dem Asteroiden ein riesiges Solarsegel zu befestigen, das ihn dann mit Hilfe des Sonnenwindes von seinem Kurs ablenken würde.

Die Idee taucht im August 2011 wieder auf, als die chinesischen Forscher Shengping Gong, Junfeng Li und Xiangyuan Zeng von der Tsinghua Universität in Peking einen Plan vorlegen, der sicherstellen soll, daß der 2004 entdeckte Asteroid (99942) Apophis mit einem Durchmesser von gut 300 m und einer Masse von rund 50 Millionen Tonnen nicht die Erde trifft. Was ersten Prognosen zufolge im Jahr 2029 möglich sei.

Weitere Beobachtungen zeigen jedoch, daß der Brocken im Jahr 2029 durch ein ,Schlüsselloch’ im Sonnensystem jagen wird – nur um die Erde oder den Mond dann 2036 zu treffen. Ein derartiges Schlüsselloch (oder Eintrittsfenster) ist ein kleiner Bereich der Raum, in dem sich der Kurs eines Asteroiden aufgrund seiner Interaktion mit der Schwerkraft eines Planeten verändert.

Dies eröffnet jedoch die Möglichkeit, Apophis genügend stark von seiner eigentlichen Bahn abzulenken, damit er 2036 keine Bedrohung mehr darstellt. Verwirklicht werden soll dies durch ein unbemanntes Raumschiff, das von einem Sonnensegel angetrieben genügend Schub entwickeln soll, um bei seiner Kollision mit Asteroiden die gewünschte Wirkung zu erzielen. Für das Manöver soll bereits eine Aufschlagsgeschwindigkeit von 90 km/s ausreichen.

Der Impaktor soll mit dem Sonnensegel auf eine retrograde Umlaufbahn gebracht werden und dabei nahezu ausschließlich auf die Kraft des Sonnenwindes angewiesen sein. Schon ein 10 kg schweres Sonnensegel würde genügen, um den Asteroiden ein Jahr vor 2029 zu treffen und ihn so von dem nur 600 m breiten Eintrittsfenster und damit von einer Kollision mit der Erde 2036 abzulenken.

Bislang ist über eine Umsetzung der Pläne nicht neues bekannt, doch präzise Beobachtungen der Bahn des Asteroiden bei seinem Vorbeiflug im Januar 2013 veranlassen die NASA Entwarnung zu geben. Der Besuch am 13. April 2029 wird aber in jedem Fall ein Spektakel werden, denn der vagabundierende Asteroid wird an diesem Tag in nur 31.300 km Abstand an der Erde vorbeischrammen und uns somit näher kommen, als viele Satelliten es sind.


Die japanische Raumfahrtagentur ISAS (später: Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA) führt im August 2004 einen erfolgreichen Test zur Entfaltung zweier Sonnensegel während eines suborbitalen Flugs durch. Es besteht übrigens eine gute Zusammenarbeit zwischen der JAXA und der Planetary Society.

Die vom Uchinoura Space Center bei Kagoshima aus gestartete S-310 Trägerrakete hat zwei Systeme mit 7,5 µm dicker Folie mit an Bord. Rund 100 Sekunden nach dem Start und in einer Höhe von 122 km entfaltet sich ein Segel mit Kleeblatt-Form - gefolgt von einer Rotorblatt-Form 230 Sek. nach dem Start und in einer Höhe von 169 km. Beide Experimente verlaufen erfolgreich.

Rotorblattförmige Segel (Heliogyro) sind aus schmalen Rotorblättern aufgebaut, die eine Länge von mehreren Kilometern haben können. Sie sind ebenfalls spinstabilisiert, was ihnen die nötige Formfestigkeit während des Fluges garantiert. Zudem können die einzelnen Rotorblätter zur präzisen Lageregelung mit Hilfe des Lichtdrucks genutzt werden.

Ikaros Design Grafik

Ikaros Design

Erstmal erfolgreich zum Einsatz kommt dann ein Sonnensegel bei der im Mai 2010 gestarteten japanischen Raumsonde Ikaros (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun), die speziell der Erprobung dieser Antriebsform dient. Sie startet an Bord einer H-IIA-202-Trägerrakete vom Weltraumzentrum Tanegashima im Süden Japans.

Das neu entwickelte Segel der JAXA geht dabei weit über die vorangegangenen Konzepte hinaus: Auf dem 7,5 µm dicken, viereckigen Polyamidsegel mit einer Kantenlänge von 14 m sind auch acht Staubsensoren angebracht sowie Dünnschichtsolarzellen zur Stromversorgung aufgedruckt.

Außerdem werden 72 hauchdünne Flüssigkristallelemente entlang der Außenkante des gegen Zugkraft, extreme Hitze und kosmische Strahlung robusten Segels verwendet, um dieses in die gewünschte Position zur Sonne hin zu drehen. Das eingesetzte ,Smart Glas’, das seine Reflektionseigenschaften verändern kann, steuert die Reflektivität der äußeren Abschnitte des Segels. Wird etwas davon eingeschaltet, schafft dies eine spiegelähnliche Wirkung, so daß der Druck des Sonnenlichts diesen Teil des Segels stärker anschiebt. Dadurch kann das Segel seinen Winkel um etwa 1° pro Tag verändern.

Der Bau der Ikaros hat 16 Mio. $ gekostet und der Flugverlauf der auf 77 Mio. km angelegten Segeltörn wird laufend in einem Blog festgehalten (leider nur in Japanisch).

Im Juni wird das 196 m2 große und 2 kg schwere Segel erfolgreich entfaltet und mittels Drehung (bis zu 20 U/m) flach gehalten, was durch vier an den Spitzen des Segels angebrachte Massen von jewils 0,5 kg erleichtert wird. Der Einsatz erfolgt in zwei Stufen: Während der ersten Phase wird das Segel statisch eingesetzt, und erst in der zweiten Stufe auch dynamisch. Diese Methode ist mit einem einfacheren und leichteren Mechanismus realisierbar als herkömmliche Mast- oder Baum-Strukturen, die starre Baulemente benötigen.

Mit einer in den Weltraum ausgesetzten Mikrosonde, die eine separate Kamera und eine Batterie enthält, werden einige Tage später Bilder der Sonde mit dem vollständig entfalteten Segel aufgenommen.

Ikaros Segel

Ikaros Segel

Im Juli bestätigt die JAXA, daß sowohl die Lagesteuerung als auch die Stromproduktion der Solarzellen zufriedenstellend funktionieren. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich Ikaros bereits 7,7 Mio. km weit von der Erde entfernt. Die Reise der 270 kg schweren Solarsegel-Sonde führt diese Anfang Dezember an der Venus vorbei, bevor sie die Sonne umrundet und in Richtung Erde zurückkehrt.

Im November 2012 wird Ikaros von Guinness World Records als weltweit erstes Sonnensegel-Raumschiff zwischen den Planeten anerkannt. Nachdem die Sonde aufgrund unzureichender Leistung der Solarzellen mehrfach in den Ruhezustand fällt, gibt es im Juni und September 2013 Kontakte, als die Solaranlage wieder mehr Strom zur Verfügung stellt. Im August gewinnt das Solarsegel erneut Geschwindigkeit und erreicht bald ca. 400 m/s.

Erneute Sendungen mit Telemetriedaten werden im Mai 2014 empfangen, als Ikaros in einer Entfernung von etwa 230 Mio. km an der Erde vorbeifliegt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich das Raumschiff auf einer zehnmonatigen Umlaufbahn um die Sonne, bei der es leistungsbedingt jeweils sieben Monate im Ruhezustand verbringt. Im April 2015 wacht die Sonde zum 4. Mal aus dem Ruhezustand-Modus auf.

Nach der erfolgreich verlaufenen Mission wollen die Forscher in einigen Jahren ein zweites Sonnensegel mit 50 m Durchmesser ins All schicken – zum Jupiter und zu den Trojaner-Asteroiden, wobei die Sonde möglicherweise auch noch mit einem solarbetriebenen Ionen-Antrieb ausgestattet wird (s.u.).


Zurück zur allgemeinen Chronologie, wobei man den technischen Zwischenstand 2005 wie folgt zusammenfassen kann:

Für die Schubkraft einer kleinen Mondsonde (0,07 N) benötigt man eine Segelfläche von 9.000 m2. Es ist sinnvoll, Sonnensegel mit einer spiegelnden Schicht zu versehen, da reflektiertes Licht infolge der doppelten Impulsübertragung einen größeren Druck ausübt. Bislang werden insbesondere die Kunststoffe Mylar und Kapton verwendet, die beide sehr dünn, leicht und widerstandsfähig sind. Kapton ist zudem UV-beständig, was bei sonnennahen Missionen entscheidend ist.

Auch andere Materialien befinden sich bereits in der Entwicklung, wie z.B. Aluminium, das mit Löchern etwas kleiner als Lichtteilchen versehen werden soll. Dadurch kann viel Material und Gewicht eingespart werden. Allerdings ist Aluminium alleine zu fragil, um starken Kräften standhalten zu können. Hierfür besser geeignet sind Karbonfasern oder Graphen, die durch ihre Knitterfreiheit auch Glättungsmechanismen nach der Entfaltung überflüssig machen.


Unter den im Jahr 2006 bekanntgegebenen sechs sogenannten Centennial Challenges der NASA, bei denen Preisgelder zwischen 0,5 und 5 Mio. $ zu gewinnen sind, gibt es auch einen Station-Keeping Solar Sail Challenge zur Entwicklung neuer Raumfahrzeuge mit Solar-Segel-Antrieb.

Der Wettbewerb ist in zwei Kategorien unterteilt: 2,5 Mio. $ erhält, wer als Erster mit einem Solar-Fahrzeug einen Streckenverlauf im All mit definierter Mindestbeschleunigung absolviert. Ziel ist der rund 1,5 Mio. km von der Erde entfernte Lagrange-Punkt L1. Ebenfalls 2,5 Mio. $ bekommt, wer als Erster eine Zielregion ober- oder unterhalb des Lagrange-Punktes L1 erreicht und diesen Punkt 90 Tage fixiert.

Ein entsprechendes Konzept ist bereits durchgerechnet worden: Ein 67 x 67 m großes Solarsegel würde ausreichen, einen Sonnensatelliten quasi am inneren Lagrange-Punkt festzunageln – womit die Vorwarnzeit für schwere Sonnenstürme verdoppelt werden könnte.

Überraschenderweise ist später nichts mehr darüber zu erfahren, obwohl das Wissenschafts- und Technologiebüro des Weißen Hauses im September 2010 eine neue Website veröffentlicht (challenge.gov), auf dem die Preise und Herausforderungen der staatlichen Agenturen bekanntgegeben werden – darunter auch die der NASA.


Mitte 2008 will ein Team um Edward ‚Sandy’ Montgomery vom Marshall Space Flight Center der NASA gemeinsam mit einer Gruppe um Elwood Agasid vom Ames Research Center ein Solarsegel namens NanoSail-D in den Orbit bringen – pünktlich zum 50jährigen Jubiläum der NASA. Es soll das erste voll entfaltete Sonnensegel im All werden, und der seitens des Polytechnikum der University of California entwickelte Poly Picosatellite Orbital Deployer (P-POD), der das Segel aussetzt, damit auch das erste Raumfahrzeug, das den Solar-Druck als primäres Mittel zur Lageregelung oder zum orbitalen Rangieren nutzt.

Ausgefaltetes NanoSail-D

Ausgefaltetes NanoSail-D

Die Struktur besteht aus Aluminium und einem speziellen Kunststoff, wobei das ganze Raumschiff weniger als 5 kg wiegt. Komplett geöffnet breitet sich das drachenförmige, lichtfangende Segel über eine Fläche von etwa 100 Quadratfuß aus. Mit dem Fehlstart der Falcon 1 Rakete des privaten Raumfahrtunternehmens SpaceX ist das Projekt jedoch leider ein Mißerfolg.

Der nächste Versuch erfolgt Ende 2010, als eine Minotaur IV Trägerrakete die Sonde NanoSail-D in einen 640 km hohen Orbit befördert. Dort soll das System 70 bis 120 Tage lang getestet werden. Anschließend will man versuchen, es auf einen niedrigeren Orbit zu steuern um mehr über die Rückführungsmöglichkeit von Weltraumschrott mit dieser Methode zu lernen.

Das Experiment ist Resultat gemeinsamer Bemühungen der NASA, der University of Alabama, des von Braun Center for Science and Innovation Space in Huntsville, Alabama, der Firma Dynetics Inc., ebenfalls in Huntsville, sowie weiterer lokaler Unternehmen. Parallel dazu arbeiten NASA-Ingenieure an einer 3. Version namens FeatherSail.

Am 6. Dezember 2010 wird der NanoSail-D Nanosatellit (Gewichtsklasse 1 kg bis 10 kg) erfolgreich von dem Mikrosatellit FASTSAT (Fast, Affordable, Science and Technology Satellite) ausgestoßen. Es ist das erste Mal, daß die NASA einen P-POD an einen Mikrosatelliten (Gewichtsklasse 10 kg bis 100 kg) anbaut.

Der mit insgesamt 6 wissenschaftlichen Nutzlasten ausgestattete FASTSAT war im Rahmen der STP-S26 Mission der NASA und dem U.S. Department of Defense Space Test Program am 19. November von Kodiak Island in Alaska aus gestartet worden.

Eigentlich soll sich das Segel drei Tage nach dem Ausstoß vollautomatisch auf seine Fläche von 100 Quadratfuß entfalten, wofür es nur 5 Sekunden braucht. Doch auch dieser Versuch läuft nicht problemlos ab.

NanoSail-D Lichtspur am Himmel

NanoSail-D Lichtspur

Mitte Dezember gibt es keinen Kontakt mehr zu der Sonde, und bislang liegt noch keine eindeutige Bestätigung dafür vor, daß der Ausstoßvorgang erfolgreich verlaufen ist, auch wenn die Telemetriedaten dies nahelegen. Der FASTSAT Mikrosatellit und die restlichen fünf Experimente an Bord funktionieren dagegen wie geplant.

Im Januar 2011 geben die NASA-Ingenieure bekannt, daß sich das Segel zu ihrer Überraschung nun doch noch ,spontan’ vom FASTSAT getrennt und nach drei Tagen planungsgemäß entfaltet habe. Jetzt soll es 120 Tage lang in einer orbitalen Höhe von 650 km verbleiben. Im Februar gibt es ein Foto, auf dem die Lichtspur des NanoSail-D zu sehen ist.

Dem Sonnensegel fehlt zwar die Manövrierfähigkeit, doch bis zu seinem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre im Mai werden wertvolle Daten gesammelt, die in zukünftige Missionen einfließen.

Eine solche kündigt die NASA im August an: Bis 2015 soll als eine von drei aktuell vorgeschlagenen ,Technology Demonstration Missions’ auch die nächste Generation eines Solarsegel-Raumfahrzeugs bereit stehen, das mit einer Kantenlänge von 38 m und einer ,Nutzfläche’ von gut 1.200 m2 etwa 7-mal größer ist als alle, die bislang im Weltraum geflogen sind. Zu den Zielen der Mission unter der Leitung der kalifornischen Firma L’Garde Inc. aus Tustin, an der neben der NASA auch noch die National Oceanic and Atmospheric Administration und die Space Services Inc. aus Houston beteiligt sind, gehören u.a. die Demonstration der Lageregelung des Segels, seine passive Stabilität und die Trimmsteuerung.

Das Interesse der Partner hat einen handfesten Hintergrund, da es mit der kostengünstigen Technologie der Solarsegel möglich ist, Kleinsatelliten in Weltraummüll-Sammler zu verwandeln. Der jüngsten Schätzung des Space Surveillance Network befinden sich gegenwärtig 6.000 Tonnen oder 20.000 Stück Weltraumschrott im Orbit. Ein entsprechendes Projekt umfaßt die Testplanung, die Entwicklung der Flughardware, den Bodenbetrieb u.a.m. Weitere Möglichkeiten umfassen eine direkte Kommunikationsverbindung zum Südpol der Erde sowie die Installation von Weltraumwetter-Observationssystemen um Satelliten vor Sonnenstürmen zu warnen.

Im Januar 2013 nennt die NASA den Starttermin für den Praxistest des bislang größten Sonnensegels. Das Projekt, das als Hommage an Arthur C. Clarke nun den Namen Sunjammer bekommt (s.o.), soll 2014 verwirklicht werden. Durch den Einsatz des 5 Mikron dünnen Kunststoffs Kapton von DuPont wiegt das neue Sonnensegel nur 32 kg, kann aber eine 80 kg schwere Nutzlastkapsel durchs All ziehen ... in der sich auch Aschekapseln mit den sterblichen Überresten von Star Trek-Erfinder Gene Roddenberry und seiner Frau Majel Barrett-Roddenberry befinden (bei der ersten Weltraumbestattung von Gene Roddenberry 1997 wurde nur ein kleiner Teil seiner Asche ins All geschickt).

Die Sunjammer-Mission dient in erster Linie Steuerungstests. So soll das Gefährt zunächst den Lagrange-Punkt L1 der Erdumlaufbahn um die Sonne erreichen und diese Position dann halten. Daneben wird die Sonde zwei britische Nutzlasten tragen: Den Sonnenwind Analyser (SWAN), den das Mullard Space Science Laboratory des University College London entwickelt hat, sowie den MAGIC Magnetometer des Blackett Laboratory am Imperial College London.

Im September wird ein Meilenstein erreicht, als sich bei einem bodengestützten Test einer der vier Quadranten des Segels erfolgreich entfaltet. Und im Dezember richtet das NASA George Marshall Space Flight Center eine Anfrage an Firmen, um 10 x 10 m große Segel zu entwerfen und herzustellen, die in einen CubeSat-Würfel passen.

Der eigentlich für Januar 2015 geplante Start (zusammen mit dem Wetter- und Erdbeobachtungssatelliten DSCOVR) wird im Oktober 2014 jedoch gestrichen – aus Mangel an Vertrauen in die Umsetzungsfähigkeit des Auftragnehmers SpaceX, wie es heißt. In meinen Augen ein unfairer Vorbehalt oder Vorwand, denn die private Raumfahrtfirma hat in wesentlich kürzerer Zeit, zu beträchtlich geringeren Kosten und mit signifikant kleineren Unfällen mehr erreicht, als alle vorherigen staatlichen oder privaten Unternehmen.

Im April 2015 gibt die NASA statt dessen bekannt, daß bei dem für 2018 geplanten unbemannten Erstflug (Exploration Mission-1, EM-1) der NASA-Trägerrakete der nächsten Generation, dem Space Launch System (SLS) oder Orion, elf CubeSats in die Erdumlaufbahn transportiert werden sollen. Etwa 10 Minuten nach der Trennung von der oberen Stufe der Trägerrakete werden sich die Minisatelliten unter Verwendung eines Feder-basierten Systems sicher lösen. Bislang sind allerdings erst drei der 11 CubeSat-Entwürfe festgelegt, darunter BioSentinel, der Hefe in den interplanetaren Raum tragen soll, im Versuch, die negativen Auswirkungen der Strahlung in der Tiefe des Weltraums besser zu verstehen.

Bei der NEA Scout mission (Near Earth Asteroid) ist das Rendezvous einem kleinen Asteroiden vorgesehen. Dort gelandet soll der Minisatellit als Antrieb ein Sonnensegel verwenden. Und auch der CubeSat Lunar Flashlight, der über Krater des irdischen Mondes fliegen wird, die gewöhnlich in ewige Dunkelheit gehüllt sind, soll ein Sonnensegel nutzen, und dies nicht nur für den Antrieb, sondern auch um Licht in die dunklen Krater zu spiegeln. Dieses Licht wird wiederum von den eisigen Ablagerungen im Boden der Krater zurück zu dem Satelliten reflektiert, wo es von einem Spektrometer analysiert werden kann.

In diesem Zusammenhang werden auch Überlegungen von Les Johnson am Advanced Concepts Office des NASA Marshall Space Flight Center in Huntsville bekannt, der davon ausgeht, daß es noch 300 – 500 Jahre dauern wird, bis die allererste interstellare Sonde auf Kreuzfahrt durch den Raum geht, angetrieben von hochkonzentriertem Licht, das auf ein Segel von der Größe Texas, gestrahlt wird.

Im Idealfall würde das Raumfahrzeug seine enormen Segel relativ nahe an der Sonne entfalten – vielleicht in der Nähe der Umlaufbahn des Merkur – um von Anfang an den möglichst stärksten Photondruck zu ernten. Später sollen dann weltraumgestützte Laser ihr Licht auf das Segel richten, deren Leistung Schätzungen zufolge vergleichbar mit der heutigen planetaren Gesamtleistung sein müßten.


Ab 2008 plant das Finnische Meteorologische Institut den Bau eines elektrischen Sonnensegels (Electric Solar Wind Sail o. Electric Sail; auch E-Sail,  ESAIL), das die Erde immer schneller umkreisen soll, um die damit erreichbare Beschleunigung herauszufinden. Eine mögliche Mission für dieses Raumfahrzeug wäre ein Flug aus dem Sonnensystem hinaus, um Gas, Staub, Plasma und Magnetfelder im ungestörten interstellaren Raum zu messen.

Bei diesem radikal anderen Ansatz für Sonnensegel, einer 2006 von Dr. Pekka Janhunen aus dem Kumpula Space Centre gemachten Erfindung, werden lange metallische Verbindungen und eine Elektronenkanone zu einem elektrischen Segel verbunden, das sich sehr von den bisherigen Vorschlägen unterscheidet und mehr wie eine Antenne aussieht.

Electric Sail Grafik

Electric Sail (Grafik)

Eine Version in voller Größe würde aus bis zu 100 Stück 25 µm dünnen und jeweils 20 km langen Drähten bestehen, die mittels einer solarbetriebenen Elektronenkanone mit einigen 100 W Leistung auf einem hohen positiven Potential von etwa 20 kV gehalten werden. Dieses elektrische Feld verwandelt die Drähte in 50 m breite Segel, die den Sonnenwind nutzen können. Man schätzt, daß ein 20 km langer ‚Solardraht’, der nur ein paar hundert Gramm wiegt, einem Segel von 1 km2 Fläche entsprechen würde.

Die Arbeiten an dem elektrischen Segel werden von der Finnischen Akademie und privaten Stiftungen finanziert. Im November 2010 gewinnt das elektrische Segel den Finnischen Quality Innovation Prize für zukünftige Innovationen.

Im Rahmen eines EU FP7 Projekts (2011 - 2013) sollen Labor-Prototypen der wichtigsten Komponenten des E-Sail entwickelt werden. Das Projekt umfaßt fünf Länder, neun Institute und hat ein Budget von rund 1,7 Mio. €. Ziel ist ein Prototyp mit 8 km langen Drähten, der auf einen hohen Erdorbit gebracht werden soll.

Schon für 2012 ist im Rahmen eines studentischen Projekts an der estnischen Universität Tartu der Start eines ESTCube-1 Satelliten mit einem 10 m langen Testdraht geplant, um die theoretisch vorhergesagte Elektro-Segelkraft im Raum zu messen – was sich allerdings verzögert.

Im Januar 2013 kann die Universität Helsinki dafür bekanntgegeben, daß die Produktion eines 1 km langen E-Sail-Drahts gelungen sei – was von den meisten internationalen Experten in Ultraschallschweißen bislang für unmöglich gehalten worden war, da bei der Herstellung die extrem dünnen Drähte jeden Zentimeter miteinander verschweißt werden müssen – damit Mikrometeoriten keine schwächenden Schäden an der Struktur verursachen können. Mit 90.000 Ultraschallschweißungen erbringen die Forscher den Nachweis, daß es möglich ist, E-Sail-Drähte in voller Größe herzustellen.

Als der Technologieerprobungs- und Amateurfunksatellit ESTCube-1 dann zusammen mit zwei Erdbeobachtungssatelliten im Mai 2013 mit einer Vega-Rakete vom Centre Spatial Guyanais bei Kourou in Französisch-Guayana aus ins All geschickt wird, soll er innerhalb einer Woche per Zentrifugalkraft einen 10 m langen und nur 50 µm dicken Draht aus Aluminium abwickeln, der anschließend mittels einer Elektronenkanone mit einer Spannung von 500 V aufgeladen wird. Dann soll über die Umdrehungen des Satelliten die Lorentzkraft des E-Sails gemessen werden – und versucht, das negativ geladene E-Segel zu verwenden, um den Satelliten aus der Umlaufbahn zu nehmen und wieder in die Erdatmosphäre zurückzuführen.

Der Plan scheitert jedoch, da der Abwicklungs-Mechanismus die Vibrationen des Raketenstarts nicht überlebt hat. Die Prüfung eines 100 m Drahts, die im Jahr 2014 folgen sollte, scheint verschoben worden zu sein.

Im Juli 2015 folgt die Meldung, daß sich am NASA Marshall Space Flight Center ein internationales E-Sail-Team mit der Entwicklung eines Heliopause Electrostatic Rapid Transit System (HERTS) beschäftigt das auf der Erkenntnis beruht, daß ein Raumschiff mit E-Sail in weniger als zehn Jahren 100 Astronomische Einheiten weit reisen kann – oder in < 15 Jahren bis an die Heliopause in einer Entfernung von 120 - 150 AE.

Das erwähnte Team besteht übrigens aus dem Erfinder und Patentinhaber des E-Sail-Antriebssystems Pekka Janhunen, dem NASA-Forschungsleiter für die Tether-Experimente Nobie Stone (s.u.), Rob Hoyt von der Firma Tethers Unlimited Inc. sowie ein Team der Utah State University unter der Leitung von Robert Schunk. 


Ähnliche Forschungen werden aber auch in Japan durchgeführt. Ende August 2010 startet vom Uchinoura Space Center aus eine S-520-25 Trägerrakete der JAXA, um während eines rund 10-minütigen Fluges eine Methode zu testen, die es Raumschiffen eines Tages ermöglichen könnte, das irdische Magnetfeld zur Energiegewinnung zu nutzen bzw. Weltraummüll einzusammeln.

Um das Prinzip der elektrodynamischen Seile (Electro-Dynamic Tethers, EDT, im Prinzip sehr lange und leitende Drähte) zu erforschen, setzt die Rakete in 309 km Höhe ein 200 m langes und 2,5 cm breites, metallisches Gummiband aus. Dieses bewegt sich durch das Magnetfeld der Erde, wobei Spannung erzeugt wird. Der Leiter erzeugt dabei selbst ein Magnetfeld, das dem der Erde entgegengesetzt ist. Dadurch kommt es zu einer Abbremsung des gesamten Systems. Mit einem EDT kann die Bahn eines Flugkörpers verändert werden, was man ja auch mit dem Weltraummüll machen möchte.

Das EDT Projekt namens T-Rex (Tether Technologies Rocket Experiment) wird von Hironori Fujii vom Kanagawa Institute of Technology in Tokio geleitet. Ein längerer Demonstrationsflug ist für 2013 oder 2014 geplant.


Zusammen mit dem weltweit führenden Luft- und Raumfahrt Unternehmen EADS-Astrium und der ESA entwickeln Forscher der University of Surrey 2009 ein Solar-Segel mit dem Namen CubeSail (zuvor auch NanoSail genannt; nicht mit dem CubeSail der University of Illinois zu verwechseln, s.o.), das 2011 zu seinem ersten Einsatz kommen soll.

Der nur 10 x 10 x 30 cm kleine, 3 kg leichte und vor allem günstige Kleinsatellit soll im Wesentlichen zwei Aufgaben erfüllen. Zum einen soll er bei der Beseitigung von Weltraumschrott helfen, und zum anderen könnte er notwendige Bahnkorrekturen anderer Satelliten unterstützen.

Im Erdorbit wird er ein 25 m2 großes Segel aus Spezialpolymer entfalten, und sich an dort befindlichen Weltraummüll, wie alte Satelliten oder Raketenteile, ankoppeln, wodurch sich deren Reibungswiderstand erhöht. Dadurch verringert sich die Geschwindigkeit, und das Objekt verglüht früher in der Erdatmosphäre, nachdem das CubeSail sich wieder von ihm gelöst hat.

Durch Ausnutzung des Sonnenwindes kann das System auch an Satelliten andocken und deren Bahn ohne den Verbrauch von Treibstoff korrigieren. Das Projekt kostet etwas mehr 1 Mio. € und die Wissenschaftler hoffen, daß es etwa ab 2013 möglich sein wird, den im Weltraum herumfliegenden Müll mit einem CubeSail zu versehen und damit langsam mit dem Aufräumen im Orbit zu beginnen.


Auf der 5. Europäischen Konferenz zum Thema Weltraumschrott in Darmstadt im April 2009 wird ein Segeldesign mit einer Fläche von 350 m2 und einem zusammenklappbaren 12 m Mast vorgestellt, das möglicherweise schon 2011 mit einer Ariane 5 Trägerrakete in den Orbit geschossen werden soll. Für den Mast selbst gibt es mehrere Alternativen: Die einfachste wäre ein gewebtes Polymer- und Aluminiumrohr, das durch Stickstoff aufgeblasen wird.

Ein weiteres Verfahren beinhaltet die Verwendung einer Röhre aus einem Polymer-Verbundwerkstoff, die durch die UV-Strahlen aushärtet, nachdem sie mit Stickstoff aufgeblasen wird. Ein dritter Entwurf nutzt Epoxydharz, das durch Verdampfung des Lösungsmittels aushärtet. Ein weiteres Projekt der University of Surrey läuft unter dem Namen DeorbitSail.

ISSS Poster 2010

ISSS Poster 2010

Im Juli 2010 findet am New York City College of Technology der City University of New York in Brooklyn das mehrtägige 2. International Symposium on Solar Sailing (ISSS) statt.


Im September 2010 schlagen Joel Poncy und sein Team bei der Firma Thales Alenia Space vor, den Transport großer Datenmengen, die bei Missionen zu entfernten Planeten und anderen Himmelskörpern gewonnen werden, mittels sogenannten Data Clippern zu bewerkstelligen. Diese sollen auch von Solarsegeln angetrieben werden.

Ein Data Clipper ist ein wendiges, solarbetriebenes Raumschiff, das wissenschaftliche Daten sammelt und diese beim Vorbeiflug an der Erde zur Bodenstation sendet. Bislang bildet die Übermittlung dieser Daten seitens konventioneller Orbiter einen signifikanten Flaschenhals, so daß die Übersendung der vielen Terabytes einer hochauflösenden Karte des Jupitermondes Europa beispielsweise, selbst beim Gebrauch einer sehr großen Antenne, mehrere Dekaden Zeit erfordern würde. Das Unternehmen plant, den ersten Clipper Ende 2020 starten zu können.


Auch das Unternehmen KiteShip in Martinez, Kalifornien, das sich mit VLFFS-Lenkdrachen als Antriebsquelle für Schiffe beschäftigt (s.d.), schaut über den Planetenrand hinaus und projektiert bereits Segel für den Einsatz in der Marsatmosphäre und für Reisen zum Jupiter.

Neben der konventionellen Solarsegel-Technologie gibt es noch weitere, die an dieser Stelle erwähnt werden sollen.

Theoretisch besteht nämlich auch die Möglichkeit, den Sonnenwind mittels magnetischer Segel einzufangen. Damit meint man ein um das Raumschiff erzeugtes starkes Magnetfeld, das in einer Plasmablase eingeschlossen ist.

Der Vorteil eines solchen Segels wäre die große Nutzfläche – man denkt an Durchmesser von bis zu 15 km – fast ohne Materialeinsatz. Der Nachteil ist, daß ständig Plasma nachgeliefert werden muß, da es langsam aus dem Magnetfeld entweicht. Diese Methode wird als Mini-Magnetospheric Plasma Propulsion (M2P2) bezeichnet. Eine gute Beschreibung findet sich in dem SF-Roman ,Saturn’s Children’ von Charles Stross (2008, dt.: Die Kinder des Saturn, 2009):

M2P2 steht in der Raumfahrt für das neue Antriebskonzept ‚Mini-Magnetospheric-Plasma-Propulsion’ – einer Variante des Sonnenwindseglers, die derzeit entwickelt wird. Beim M2P2-Antrieb erzeugen die Raumsonden eine eigene Magnetosphäre, die im Sonnenwind wie ein Segel wirkt. Ein Elektromagnet erzeugt dabei ein ähnliches Magnetfeld wie das Erdmagnetfeld, in das dann ionisiertes Helium injiziert wird. So entsteht eine magnetische Blase im Sonnenwind, der die Sonde aus dem Sonnensystem herauskatapultiert.


Eine weitere Technologie namens Starwisp geht auf den bereits erwähnten Robert L. Forward zurück. Hierbei wird ein winziges interstellares Raumflugzeug, eben die Starwisp, von Mikrowellen angetrieben, die von einem solarbetriebenen Satelliten in der Erdumlaufbahn ausgesendet werden. Das Raumflugzeug würde hauptsächlich aus einem mit Mikroschaltkreisen belegten Netzsegel mit 1 km Durchmesser bestehen, das die Mikrowellenstrahlung einfängt und in Vortrieb umsetzt. Die Strahlleistung würde bis zu 100 GW betragen und das 4 - 5 g wiegende Raumfahrzeug 20 % der Lichtgeschwindigkeit erreichen lassen. Hierbei würde wiederum eine Fresnel-Zone zur Bündelung der Mikrowellenstrahlen genutzt (s.o.).

Ebenfalls für interstellare Reisen angedacht ist der Einsatz eines großen Laser-Arrays von beispielsweise 1.000 km Durchmesser, das wie die Starwisp Mikrowellensender in einer engen Umlaufbahn um die Sonne plaziert ist, um dort die benötigte Energie für den Betrieb abzapfen zu können. Je nachdem, wie weit das Ziel entfernt ist, soll die Leistung des Lasers-Arrays bis zu 43.000 TW betragen. Zum Vergleich: Der Gesamtenergieverbrauch der Erde beträgt gegenwärtig etwa 1 TW.

Wie groß das entsprechende Segel sein müßte, hängt alleine vom Reiseziel ab. Für eine Reise zum nächsten Stern, Proxima Centauri, in einer Entfernung von etwa 4,3 Lichtjahren, würde ein Segel von etwa 117 km Durchmesser benötigt werden. Für eine Mission zu den äußeren Bereichen der Anwendbarkeit von Lichtsegel-Systemen, also rund 40 Lichtjahre, wäre ein Segel mit 936 km Durchmesser erforderlich. Beide Zahlen gehen von einer 1000-Tonnen Nutzlast aus.


Im Mai 2015 berichtet die Fachpresse über eine Zufallsentdeckung, die Yongsheng Chen und seine Kollegen an der chinesischen Nankai University in Tianjin machen, als sie mit Hilfe eines Lasers einen mehrere Zentimeter großen Schwamm aus zerknitterten Graphenoxid-Blättern zerschneiden und dabei verblüfft feststellen, daß das Material von dem Laser auf mysteriöse Weise nach vorne bewegt wird.

Als sie dann das Graphene – nur ein Atom dicke Blätter aus Kohlenstoff – in einer Vakuumkammer erneut einem Laserbeschuß unterschiedlicher Wellenlänge und Intensität ausgesetzt wird, schiebt dieser den Schwamm um bis zu 40 cm vorwärts. Es gelingt sogar, das Graphen durch die Konzentration gewöhnlichen Sonnenlichts mit einer Linse zu bewegen.

Obwohl sich die Wissenschaftler nicht sicher sind, warum dies geschieht, eröffnet die Erkenntnis, daß Graphene Licht in Bewegung verwandeln kann, aufregende neue Möglichkeiten für lichtbetriebene Raumsonden, die keinen Brennstoff benötigen. Eine Erklärung könnte sein, daß das Graphen die Laserenergie absorbiert und eine Ladung aus Elektronen aufbaut. Schließlich kann es diese nicht mehr halten, worauf Elektronen freigesetzt werden und den Schwamm in die entgegengesetzten Richtung drücken. Was aber noch nicht erklärt, warum die Elektronen nicht nach dem Zufallsprinzip wegfliegen.


Alternative Antriebe in der Raumfahrt


Sobald die Menschheit Raumschiffe zu anderen Sternen schicken will, muß sie hierfür neue Antriebstechnologien einsetzen, denn für herkömmliche chemische Raketen sind die Entfernungen viel zu groß. Neben den vorstehend behandelten Lichtsegeln wird derzeit eine ganze Reihe verschiedener alternativer Antriebstechnologien erforscht, darunter sogenannte ,Warp-Antriebe’, die den Raum biegen sollen, oder Motoren, welche die Energie der Materie/Antimaterie-Reaktion nutzen. Eine weitere Möglichkeit bildet die Kernfusion, die allerdings seit mindestens 50 Jahren – und bis heute – in entfernter Zukunft liegt.

Wesentlich realistischer – und thematisch zu diesem Kapitelteil passend – sind dagegen elektrische Raketentriebwerke, die nach dem zugrunde liegenden Prinzip der Schuberzeugung zumeist in elektrothermische, elektrostatische und elektromagnetische Antriebe unterteilt werden.

Besonders weit entwickelt sind inzwischen Ionentriebewerke, an denen schon seit vielen Jahren geforscht wird. Bei dieser Technologie, die auch als elektrostatisches Triebwerk bezeichnet wird, beschleunigen elektrisch geladene Teilchen in einem elektrostatischen Feld, wobei der Ausstoß des (neutralisierten) Ionenstrahls zur Fortbewegung genutzt wird – nach dem Prinzip des Rückstoßes.

Die Erzeugung der Ionen in einem Plasma geschieht entweder durch eine Hochfrequenz- oder eine Gleichstromentladung, und je nach Energiequelle wird unter solar-elektrischen (Solar Electric Propulsion, SEP) und nuklear-elektrischen Antrieben (Nuclear Electric Propulsion, NEP) unterschieden. Für einen Raketenstart direkt von der Erde aus haben Ionentriebwerke zwar einen zu geringen Schub (bislang nur ungefähr 0,1 N), dafür sind sie aber optimal als Sekundärtriebwerke für den Dauerbetrieb auf langen Flugbahnen interplanetarer Sonden geeignet.

Zuerst angedacht wird das Prinzip dieses elektrischen Antriebs bereits im Jahr 1906 von dem amerikanischen Raketenpionier Robert Goddard. Sein deutscher Kollege Hermann Oberth beschreibt den Ionenantrieb dann ausführlich in seinem 1923 erschienenen Werk ,Die Rakete zu den Planetenräumen’. In dem Buch ,Die Möglichkeiten der Raumfahrt’ von 1939 erwähnt er dann sogar eine Konstruktion, die in der Lage wäre 150 Tonnen Last zu transportieren.

Ernst Stuhlinger wiederum, ein weiterer deutscher Wissenschaftler, der nach dem Ende des Zweiten Weltkrieges zusammen mit dem Oberth-Schüler Wernher von Braun in die USA kommt und von diesem auf Oberths Arbeiten aufmerksam gemacht wird, veröffentlicht 1955 die Abhandlung ,Die Möglichkeiten des elektrischen Raumschiff-Antriebes’, in welcher er ebenfalls auf die Vorzüge des elektrischen Ionen-Antriebes eingeht.

NASA-Ionenantrieb 1959

NASA-Ionenantrieb (1959)

Nach Beginn der Arbeiten am Ionenantrieb in den 1950er Jahren am Lewis Research Center (später: Glenn Research Center, GRC) der NASA in Cleveland, Ohio, durch Harold Kaufman, der 1959 den ersten Breitstrahl-Elektronen-Beschuß-Ionentrieb entwirft und baut, erfolgen in den 1960er Jahren die ersten praktischen Versuche, wobei als Treibstoff Cäsium oder Quecksilber genutzt wird, was die metallischen Bauteile zur Ionenerzeugung allerdings rasch korrodieren läßt.

Die wichtigsten Entwicklungsprogramme umfassen Triebwerke von 5, 10, 20 und 50 cm Durchmesser, wobei das größte Ionentriebwerk überhaupt, das am GRC getestet wird, ein Labormodell von 1,5 m  Durchmesser ist, welches auf dem Foto noch wesentlich größer wirkt.

Im Jahr 1961 läßt die NASA sieben Kapseln bauen, die mit elektrischen Antrieben ausgestattet sind. Außerdem erhält die Firma Electro-Optical Systems im November den Auftrag der US Air Force, einen Cäsium-Ionenantrieb mit 8,9 mN (Micronewton) Schub für drei suborbitale Flugtests zu entwickeln (Programm 661A), bei denen eine genaue Messungen der Motorleistung durchgeführt werden sollen. Das erste Flugexperiment erfolgt im Dezember 1962, doch intermittierende Hochspannungsstörungen setzen die Strahlstromversorgung außer Betrieb und rin Motorschub wird bei diesem Test nicht erzielt.

SERT I-Ionentriebwerk

SERT I-Ionentriebwerk

Die erste erfolgreiche Demonstration eines Ionentriebwerks im Weltraum findet im Juli 1964 statt, als mit dem Space Electric Rocket Test 1 (SERT I) ein rund halbstündiger suborbitaler Flug durchgeführt werden kann. Bei diesem Versuch sind ein 8 cm durchmessendes Cäsium-Kontaktionentriebwerk (0,6 kW / 5,6 mN) sowie ein 10 cm Quecksilberelektronenbeschuß-Ionenantrieb an Bord.

Auch als im April 1965 ein SNAP 10 A Nuklearenergiesystem in eine 1.300 km Umlaufbahn gehievt wird, trägt das System als sekundäre Nutzlast einen Cäsiumionenantrieb mit sich, der bei 4.500 V und 80 mA betrieben wird, um einen Schub von etwa 8,5 mN zu produzieren. Das mit Batterien betriebene Ionentriebwerk kann etwa eine Stunde lang betrieben werden, worauf die Batterien unter Verwendung von 0,1 kW des nominellen 0,5 kW SNAP-Systems etwa 15 Stunden lang wieder aufgeladen werden müssen. Während das SNAP-Stromsystem erfolgreich für etwa 43 Tage betrieben werden kann, funktioniert das Ionentriebwerk nur für einen Zeitraum von weniger als einer Stunde, bevor es dauerhaft abgeschaltet wird.

In den späten 1960er und frühen 1970er Jahren wird am Jet Propulsion Laboratory (JPL) ein Forschungsprogramm unter dem Titel Solar Electric Propulsion System Technology (SEPST) durchgeführt. Das hierbei entstandene 20 cm Quecksilberionentriebwerk besitzt anfänglich eine thermisch beheizte Oxidkathode, später wird eine Hohlkathode verwendet. Die maximale Leistung des Triebwerk beträgt 2,5 kW.

Im August 1968 werden an Bord der ATS-4 Raumsonde zwei Cäsium-Kontaktionentriebwerke gestartet (5 cm / 0,02 kW / etwa 89 mN), um deren Schub zu messen und die elektromagnetische Verträglichkeit mit anderen Subsystemen der Sonde zu untersuchen. Der ATS-4 Flug ist der erste erfolgreiche Orbitaltest eines Ionentriebwerks.

Im Jahr 1970 werden im Rahmen von SERT II zwei modifizierte Ionentriebwerke in den Orbit gebracht, von denen eines für fast drei Monate in Betrieb ist, und das andere sogar mehr als fünf. Beide Motoren erleiden jedoch vor dem geplanten Ende der Mission Kurzschlüsse, vermutlich aufgrund von Ablagerungen aus der Verschleiß des Antriebsgitters (?). Nach einem Lagesteuerungsmanöver, bei dem sich die Ablagerungen lösen, gelingt es 1974 einen der Motoren wieder zu starten – der daraufhin für weitere sechs Jahre wiederholt an- und abgeschaltet werden kann.

Spätere Arbeiten am Lewis Research Center der NASA in den 1970er Jahren konzentrieren sich auf die Entwicklung eines Quecksilber-Ionentriebwerks mit 30 cm Durchmesser, das im Vergleich zur SEPST-Maschine bei gedrosseltem Leistungspegel betrieben wird. Im Rahmen des Ion Auxiliary Propulsion System (IAPS) Projekts erfolgt ferner zwischen 1974 und 1983 die Entwicklung eines acht Zentimeter durchmessenden Quecksilber-Ionen-Hilfsantriebs zur Positionsstabilisierung von Satelliten.

Nachdem in den 1980er Jahren ansonsten kaum relevante Aktivitäten zu verzeichnen sind, arbeitet die NASA ab Anfang der 1990er Jahre wieder verstärkt an Ionen-Antrieben. Inzwischen hat man allerdings die Probleme mit dem Cäsium und Quecksilber besser in den Griff bekommen – durch den Einsatz des Edelgases Xenon als Treibstoff. Dessen wichtigste Vorteile sind, daß es im Gegensatz zu Metallen nicht verdampft werden muß, ungiftig ist und aus einem Druckgastank leicht in das Triebwerk befördert werden kann, was in der Praxis besonders beim normalerweise festen Cäsium sehr schwierig war. Als Nachteil gegenüber dem Quecksilber gilt andererseits die niedrigere Atommasse, und außerdem benötigt das Xenon gegenüber den beiden Metallen höhere Ionisationsenergien.

DS1-Ionentriebwerk

DS1-Ionentriebwerk

Gemeinsam mit dem Jet Propulsion Laboratory wird das Projekt NASA Solar Electric Power Technology Application Readiness (NSTAR) ins Leben gerufen, zu dessen Aufgabe es zählt, einen solarbetriebenen Xenon-Ionen-Antrieb zu entwickeln. Der Prototyp dieses 30-Zentimeter-IPS mausert sich im Laufe von mehr als 8.000 Stunden im Testbetrieb unter Weltraumbedingungen in einer Vakuumkammer des JPL zu einem Bestandteil der Deep Space 1 (DS1) Raumsonde, die von den Firmen Hughes Electron Dynamics Division und Spectrum Astro Inc. gebaut wird – als Teil des New Millenium-Programms der NASA, das auf neueste Technik setzt. Der Hallantrieb selbst stammt von der amerikanischen Firma Busek (s.u.).

Eine besondere Herausforderung ist die Entwicklung einer kompakten und leichten Stromverarbeitungseinheit, die den Strom von den Solarzellen der Sonde in die Spannungen umwandelt, die für den Motor erforderlich sind. Der NSTAR-Projektpartner Hughes Aircraft Company konzipiert hierfür einen 2.500 W Power-Prozessor, die etwas mehr als 15 kg wiegt und einen Wirkungsgrad von 93 % erreicht.

Nachdem die DS1 im Oktober 1998 an Bord einer Delta II Trägerrakete in den Weltraum geschickt wird, passiert sie Ende Juli 1999 den Asteroiden (9969) Braille in nur 26 km Abstand, und da im Ionenantrieb noch genügend Reaktionsmasse vorhanden ist, kann die Sonde im September 2001 auch noch in etwa 2.200 km Abstand am Kometen 19P/Borrelly vorbeifliegen, bevor sie im Dezember endgültig abgeschaltet wird.

Das NSTAR-Triebwerk bewährt sich und bewegt die DS1 als Hauptantrieb unter Verwendung von weniger als 74 kg Xenon über eine Strecke von 263.179.600 km – und dies mit einer Geschwindigkeit von bis zu 4,5 km/s. Über die gesamte Mission verzeichnet das Triebwerk im Laufe von 678 Tagen 200 Starts mit insgesamt 16.246 Betriebsstunden. Mit einem kontinuierlichen und ununterbrochenen Schub über mehr als 330 Stunden wird auch der bislang längste durchgehende Schub eines Weltraum-Antriebssystem erzielt.F

Beim dem darauf folgenden Projekt unter dem Namen NASA Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) wird die Entwicklung eines 40 cm Hochleistungsantriebs verfolgt, der als Solar Electric Propulsion (SEP) System die Kosten von Missionen und ihre Reisezeit signifikant reduzieren soll. Im Jahr 2003 wird ein NEXT-Triebwerk mit 7 kW über 2.000 Betriebsstunden lang getestet.

HiPEP

HiPEP

Dem schließt sich ab 2003 das High Power Electric Propulsion (HiPEP) Projekt an, aus dem ein weiterer Hochleistungsantrieb entsteht, der für die Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO) Sonde vorgesehen ist. Das mit mehreren Ionentriebwerken ausgestattete Raumschiff, das im Rahmen des Projekts Prometheus entwickelt wird, soll eine umfassende Erforschung des eisigen Jupitermonde Callisto, Ganymed und Europa durchführen. Geplant wird ein Ionentriebwerk der 20 - 50 kW Klasse mit einem spezifischen Impuls von 6.000 – 9.000 Sekunden und einem Treibmittel mit der Durchsatzleistung von mehr als 100 kg/kW.

Das HiPEP Team besteht aus dem Glenn Research Center (GRC), der Colorado State University, der University of Michigan und der University of Wisconsin. Bei Bodentests im Jahr 2004 werden Leistungsstufen von 40 kW und Austrittsgeschwindigkeiten von über 90.000 m/s erreicht. Die Mission der neuartigen, mit einem Atomreaktor betriebenen Sonde, die frühestens 2017 starten sollte, wird aber schon im Februar 2005 auf Eis gelegt, da sie sich für den ersten Test eines nuklearen Antriebs als zu ehrgeizig erweist.

 

Tatsächlich auf Reisen geht dagegen die Dawn-Raumsonde des Discovery-Programms der NASA, die – ursprünglich für den Mai 2006 vorgesehen – im September 2007 startet und als Hauptantrieb drei NSTAR Hall-Ionentriebwerke verwendet. Diese werden von einer 10 kW Triple-Junction-PV-Solaranlage versorgt und jeweils einzeln angeschaltet. Bei maximalem Schub verwendet ein Triebwerk nur etwa 3,25 Milligramm Xenon pro Sekunde, weshalb Dawn für die gesamte Mission nicht mehr als 425 kg des ,Treibgases’ benötigt.

Im Juli 2011 erreicht die Raumsonde den Asteroiden Vesta und wird die erste Sonde überhaupt, die auf eine Umlaufbahn um ein Objekt im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter geht. Im September 2012 beginnt sie ihre Weiterreise zum Zwergplaneten Ceres, in dessen Orbit sie im März 2015 eintritt.

Schon im Juni 2013 gibt die NASA bekannt, daß ein Ionenantrieb, der in einer Vakuumkammer des Glenn Research Center getestet wird, 48.000 Stunden oder fünfeinhalb Jahre lang ohne Unterbrechung betrieben wurde. Mit den dabei verbrauchten 870 kg Xenon wird ein Gesamtimpuls erwirtschaftet, der dem von mehr als 10.000 kg eines konventionellen Raketentreibstoffs entspricht. Der Motor hält nun den Rekord für die längste Testdauer von jeder Art von Raumfahrt-Antriebssystem.


Als erste Anwendung eines elektrischen Raumfahrtantriebs gilt aber die sowjetische Marssonde Zond 2, die im November 1964 mit einer Molnija-Rakete gestartet wird und ein gepulstes Plasmatriebwerk an Bord hat. Diese elektromagnetischen, auch als gepulste magnetoplasmadynamische Triebwerke (Pulsed Plasma Thruster, PPT) bekannten Systeme werden meist zur Lage- und Bahnregelung von Satelliten eingesetzt.

Im vorliegend Fall geht der Funkkontakt mit der Sonde allerdings schon im Mai 1965 verloren.


In Deutschland wird ab 2007 am Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart ein instationär gepulstes magnetoplasmadynamisches Triebwerk (iMPD) untersucht und entwickelt, um im Rahmen des Kleinsatelliten-Programms als Technologiedemonstratoren für elektrische Raumfahrtantriebe zu dienen. Geplante sind zwei Missionen: der Kleinsatellit Perseus zur Erprobung der neuen elektrischen Antriebe und Durchführung astronomischer UV-Beobachtungen – sowie der Kleinsatellit Lunar Mission BW1, der zum Mond fliegen und diesen umkreisen soll.

Zur Förderung der Kooperation im Rahmen von gemeinsamen Projekten wird bereits 2007 auf Initiative des IRS und mit Unterstützung des DLR eine Arbeitsgruppe ins Leben gerufen, an der Kollegen internationaler Forschungszentren teilnehmen, die ebenfalls gepulste instationäre MPD-Triebwerke entwickeln. Genannt werden zu diesem Zeitpunkt u.a. das RIAME Moskau, die Universität Tokio, die University of Surrey und das Austrian Research Center.

SIMP-LEX

SIMP-LEX

Als Ingenieurmodell für wissenschaftliche Untersuchungen und die Qualifikation entwickelt das IRS das Triebwerk SIMP-LEX (Stuttgart Impulsing MagnetoPlasmadynamic thruster for Lunar Exploration), das auf mehreren Versuchsständen unter Hochvakuumbedingungen betrieben werden kann. Der zwischen den Elektroden zugeführte Treibstoff ist in den meisten Fällen Polytetrafluorethylen (PTFE),  untersucht werden aber auch alternative Treibstoffe wie z.B. Wasser.

Weltweit konzentriert sich die Forschung und Entwicklung von PPT-Antrieben vor allem auf Russland, die USA, Europa, Japan und China – wobei aber auch Entwicklungen in Südkorea, Argentinien, dem Iran und der Türkei stattdinden. Außerdem sind die Antriebe nach Zond 2 erfolgreich auf mehreren anderen Satellitenmissionen eingesetzt worden.

Ihre Vorläufer, die magnetoplasmadynamischen Antriebe (MPD), die ebenfalls auf dem Prinzip der elektromagnetischen Beschleunigung basieren, sind seit dem Beginn ihrer Entwicklung in den 1960er Jahren aufgrund des hohen elektrischen Leistungsbedarfs allerdings nur in wenigen Fällen im Weltraum erprobt worden – hauptsächlich durch Japan und die ehemalige Sowjetunion.

Zu Erklärung: Der MPD-Antrieb stellt eine Weiterentwicklung des thermischen Lichtbogentriebwerks (TLT) dar, dessen elektrothermische Beschleunigung hier aber durch die effizientere elektromagnetische Beschleunigung ersetzt wird. Beim TLT-Antrieb wird zwischen einer Kathode und einer Anode ein Lichtbogen gebildet, der den Treibstoff auf ca. 5.000° K aufheizt und den Schub durch den thermischen Effekt der Expansion erzeugt und nicht durch elektrische oder magnetische Felder.

Dieses auch als Arcjet-Triebwerk bezeichnete System (von arc = Bogen) verwendet als ,Treibstoff’ zumeist Ammoniak oder Hydrazin und wird ebenfalls zur Lageregelung von Satelliten eingesetzt. Die genannten Chemikalien liefern aber nur den Impuls, denn die eigentliche Antriebsenergie ist auch in diesem Fall der Strom, der beispielsweise von Solarzellen oder Nuklearbatterien geliefert werden kann.

Die Weiterentwicklung des TLT-Antriebs erfolgt unter anderem am o.g. IRS, wo Leistungsklassen von 1 kW und einigen Ampere bis 100 kW und ca. 1 kA untersucht werden. Die dabei mit Wasserstoff erzielten Austrittsgeschwindigkeiten liegen im Bereich von 15 km/s.

Das Konzept des MPD-Antriebs wiederum wurde im Jahr 1979 am Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelt, und zwar von dem Plasmaphysiker Franklin Ramon Chang-Diaz, dem späteren siebenfachen NASA-Shuttle-Astronaut und Inhaber der 2005 in Webster, Texas, gegründeten Firma Ad Astra Rocket Co. (AARC), die die Technologie weiter vorantreibt. Diese besteht im Grunde aus einer trichterförmigen Anode, in deren Mitte eine stabförmige Kathode angebracht ist. Sobald zwischen den beiden Elektroden eine elektrische Spannung angelegt wird, ionisiert die sich im Trichter befindende Stützmasse und erlaubt so einen Stromfluß radial durch das Gas zur Kathode, wodurch wiederum ein starkes Magnetfeld erzeugt wird.

Die Wechselwirkung zwischen dem elektrisch erzeugten Magnetfeld (um die Brennkammer) und der ionisierten Stützmasse beschleunigt diese in axialer Richtung und läßt sie mit sehr hoher Geschwindigkeit entweichen und die gewünschte Schubkraft erzeugen. Als Grundlage für das Plasma werden vor allem  Argon, Lithium oder Wasserstoff eingesetzt, wobei in Versuchslabors – unter Nutzung eines externen Magnetfeldes – bereits Austrittsgeschwindigkeiten von 40 km/s erreicht werden.

Bei dem VASIMR (Variable specific impulse magnetoplasma rocket) genannten System der AARC erfolgen die Erzeugung des Plasmas, dessen weitere Erhitzung und die Beschleunigung in der Düse in drei getrennten Kammern, wodurch sich das Verhältnis zwischen dem spezifischen Impuls und dem Schub variieren läßt. Zum Einsatz kommen dabei Helikonwellen (auch Helicon geschrieben, o. Spiralwellen), d.h. elektromagnetische Niederfrequenzwellen, die im Plasma in einem Magnetfeld geführt werden.

Das erste Abkommen mit der NASA, das zur Entwicklung des VASIMR-Motors führt, wird bereits im Juni 2005 unterzeichnet, und im Dezember 2007 folgt eine Vereinbarung in Bezug auf das potentielle Interesse der Raumfahrtbehörde an der VASIMR-Technologie, die den Flug von der Erde zum Mars auf weniger als vier Monate verkürzen würde – im Vergleich zu den rund acht Monaten, die chemische Raketen benötigen würden.

Ebenfalls im Jahr 2005 wird auf dem Campus der privaten EARTH-Universität (Escuela de Agricultura de la Región Tropical Húmeda) in Guácimo, Costa Rica, die hundertprozentige Tochtergesellschaft Ad Astra Rocket Company Costa Rica (AARC CR) gegründet. Das dortige Team erzeugt seine erstes Plasma im Dezember 2006.

Nachdem das VX-50-Aggregat der AARC, das Radiowellen mit einer Leistung von 50 kW einsetzt, einen Wirkungsgrad von knapp 59 % erreicht, kann das Unternehmen mit dem Modell VX-100 bereits einen Gesamtwirkungsgrad von 72 % erzielen. Kurz nach der Meldung im Oktober 2008, daß nun auch der VX-200 Ionenmotor mit 200 kW Leistung einsatzbereit sei, erhält die AARC im Dezember den Auftrag der NASA, den Einbau und Test eines einsatzbereiten VF-200-Motors auf der Internationalen Raumstation (ISS) vorzunehmen. Damit soll die Höhe der Station gehalten werden, ohne wie bisher immer wieder Raketenbrennstoff zur ISS schaffen zu müssen. Die erwarteten Kosten betragen ein Zwanzigstel der gegenwärtig anfallenden.

VASIMR-Sonde Grafik

VASIMR-Sonde (Grafik)

Im Jahr 2009 werden umfangreiche Bodentests an dem VX-200-Prototypen mit integrierten supraleitenden Magneten vorgenommen und das Unternehmen will nun eine dreijährige Testflug-Mission durchführen. Die NASA stellt daraufhin im Februar 2011 etwa 100 Personen für das Projekt ab, um die Anlage in die Raumstation zu integrieren. Da die auf der ISS zur Verfügung stehende Leistung geringer als 200 kW ist, erhält der VASIMR-Motor ein eigenes Batteriesystem, das für einen 15-minütigen Schubimpuls sorgt.

Nachdem im Frühjahr 2009 als frühestmöglicher Starttermin das Jahr 2012 in Betracht gezogen wird, wird dieser im April 2014 aus finanziellen Gründen auf das Jahr 2016 verschoben – obwohl die AARC noch im Juni 2013 ein formelles Preliminary Design Review (PDR) mit der NASA abgeschlossen hatte, was als erster wichtiger Meilenstein auf dem Weg zum Einsatz des nun VF-200-1 genannten Ionenmotors auf der ISS galt. Außerdem hatte die Firma ihre Technologie im Oktober 2010 angeboten, um Raumschlepper-Missionen bei der Beseitigung des Weltraummülls zu helfen.

Im Juni 2014 erklärt Franklin Chang-Diaz, daß das Projekt wahrscheinlich nicht verwirklicht werden kann, sofern es nicht gelingt, Mittel aus dem Space Act Agreement (SAA) der NASA zu erhalten. Tatsächlich wird dann im März 2015 gemeldet, daß die NASA die AARC für das NextSTEP-Programm ausgewählt hat, was mit einem Zuschuß in Höhe von 10 Mio. $ verbunden ist, um die VASIMR-Technologie weiterzuentwickeln. Dabei geht es um einen VX-200SS Ionenmotor (SS steht für steady state = stationären Zustand), der die Bedürfnisse einer Vielzahl von Weltraum-Missionskonzepten erfüllen könnte.

Die größte Herausforderung bei MPD- wie auch VASIMR-Entwicklungen besteht in der Erzeugung der elektrischen Leistung, die bei sinnvollen Anwendungen im Bereich mehrerer Megawatt liegt, was mit Solarpaneelen oder auch Nuklearbatterien bislang aber nicht erreicht werden kann – weshalb die gegenwärtigen Planungen auf Kernspaltung oder auch Kernfusion setzen.

 

Auch die Europäische Weltraumorganisation ESA beschäftigt sich mit neuartigen Antrieben und testet den Prototypen eines von MBB/EADS entwickelten RIT-Triebwerks namens RITA-10 (Radio-frequency Ion Thruster Assembly) erstmals 1992 auf der europäischen rückführbaren Forschungsplattform EURECA (EUropean REtrievable Carrier), ein vom Hauptauftragnehmer MBB-ERNO in Bremen gefertigter Forschungssatellit, der während der Atlantis Space-Shuttle Mission STS-46 in einer Höhe von etwa 500 km ausgesetzt wird.

Ein Jahr später wird er von STS-57 wieder eingefangen und auf die Erde zurückgebracht, wo er seit dem Jahr 2000 als Schenkung der ESA im Verkehrshaus der Schweiz in Luzern ausgestellt ist.

EURECA im Museum

EURECA
(im Museum)

Zur Unterscheidung: Beim RIT-Triebwerk (Radiofrequency Ion Thruster) werden die Ionen mittels induktiver Einkopplung eines Hochfrequenzsignals erzeugt, während im elektrostatischen Ionen-Triebwerk das Gas durch eine Gleichstromentladung ionisiert wird. Beim HET-Triebwerk (Hall Effect Thruster) wiederum ionisiert das Antriebsgas mit Elektronen, die auf einer Kreisbahn geführt werden (s.u.).

Die RIT-Technologie basiert im übrigen auf Forschungen an Hochfrequenz-Ionen-Antrieben, die ab den 1960er Jahren an der Universität Gießen durchgeführt werden. Im Jahr 1970 tritt die damalige Firma MBB (inzwischen: Airbus Defence and Space) dem Entwicklungsteam bei und übernimmt die industrielle Leitung am Forschungszentrum in Lampoldshausen, wo seitdem kontinuierlich weitergearbeitet wird.

Im Juli 2001 startet die ESA den europäisch-japanischen geostationären Kommunikationssatelliten Artemis, auf dem testweise zwei neue Ionentriebwerkstype installiert sind, die sich in der Produktionsweise der Xenon-Ionen unterscheiden. Dies sind zum einen ein deutsches Produkt mit elektrodenloser, mikrowellenangeregter Entladung und 15 mN Schub, und zum anderen ein englisches Produkt mit einer sogenannten Electro-bombardment-Quelle und 18 mN Schub. Von beiden Typen, deren Aufgabe die Korrektur von Bahnstörungen ist, werden je zwei Stück in gemischten Paaren an der Nord- und Südseite des Satelliten installiert, wobei die elektrische Leistung eines Paares 600 W beträgt.

Fast muß Artemis abgeschrieben werden, denn die Ariane 5G Trägerrakete, die den Satelliten zusammen mit dem japanischen Kommunikationssatelliten BSAT 2b in eine geostationäre Transferbahn bringen soll, erreicht ihre volle Leistung nicht, sodaß das Apogäum (die erdfernste Distanz) statt 36.000 km nur 17.000 km beträgt – womit BSAT 2b verloren ist.

Doch Artemis kann gerettet werden: Da sich für den den Einsatz der 16 chemischen Lageregelungstriebwerke und des Apogäumsmotors des Satelliten, der eigentlich dafür vorgesehen ist, auch das Perigäum auf 36.000 km Höhe anzuheben (die erdnächste Distanz), 1.500 kg Treibstoff und Oxidator an Bord befinden, werden nun 95 % davon eingesetzt, um wenigstens eine Kreisbahn in 31.000 km Höhe zu erreichen.

In dieser Parkbahn, außerhalb des gefährlichen Van-Allen-Gürtels, wird die Lageregelung von Artemis so umprogrammiert, daß ein Paar der Ionentriebwerke den Satelliten in seinen geplanten Orbit bringen, wobei der spiralförmige Aufstieg um etwa 20 km pro Tag von Februar bis November 2002 dauert, wobei der Vorrat an Xenon nur 40 kg beträgt.

Im September 2003 startet dann die erste Raumsonde der ESA, die den Erdmond erforschen und neue Navigations- und Kommunikationstechniken testen soll. SMART-1 (Small Missions for Advanced Research in Technology) ist mit einem neuartigen, solarelektrisch betriebenen HET-Ionenantrieb der französischen Firma SNECMA ausgestattet und damit die dritte Sonde, die einen derartigen Antrieb verwendet, nach der amerikanischen Deep Space 1 (s.o.) und der bereits im Mai 2003 gestarteten japanischen Hayabusa (s.u.). Der Hauptauftragnehmer, das staatliche Unternehmen Swedish Space Corporation (SSC), entwickelt die Sonde innerhalb von nur vier Jahren.

Die Trägerrakete vom Typ Ariane 5 hebt die Sonde zusammen mit den Nachrichtensatelliten INSAT-3E und e-Bird zunächst in eine Erdumlaufbahn auf etwa 4.800 Kilometer Höhe, von wo aus sich SMART-1 in einer spiralförmigen Bahn zum Mond ,schrauben’ soll. Was ursprünglich bis März 2005 dauern sollte, geht dann aber wesentlich schneller, da der Ionenantrieb besser funktioniert als erwartet, sodaß die Sonde schon Mitte November 2004 im Abstand von 5.000 - 6000 km in eine Umlaufbahn um den Mond einschwenken kann. Die Energie für das Ionen-Triebwerk wird mit Hilfe von Solarzellen generiert, und als Treib- bzw. Stützstoff sind etwa 84 kg Xenon an Bord.

DS4G-Ionentriebwerk

DS4G-Ionentriebwerk

Im November 2005 testet die ESA mit dem DS4G-Ionentriebwerk (Dual-Stage 4-Grid) ein neues Konzept, das gemeinsam mit der Australian National University (ANU) in Canberra entwickelt worden ist und die Leistung derartiger Triebwerke dramatisch steigert. Das Prototyp-System schickt einen Strahl mit einer Strahlgeschwindigkeit von 210 km/s aus, was vier mal schneller als der aktuelle Stand der Technik ist und das System damit auch 4 mal wirksamer macht.

Der DS4G-Antrieb basiert auf einem Konzept, das erstmals im Jahr 2001 von David Fearn vorgeschlagen wurde und vier Beschleunigungsgitter statt der üblichen drei vorsieht, wie sie bislang bei Gitternetz-Ionentriebwerken (Gridded Ion Engine, GIT) im Einsatz sind. Die Zugabe dieser vierten Elektrode in einer optimierten Konfiguration könnte das DS4G-Konzept sogar bis zu zehn mal effizienter machen als der aktuelle Stand der Technik und den Entwurf kompakter Triebwerke mit höherer Leistung ermöglichen.

Auch das von Prof. Rod Boswell erfundene Konzept des Helicon Doppelschicht-Triebwerks (Helicon Double Layer Thruster, HDLT), das im Jahr 2003 von Christine Charles umgesetzt wird – beides ebenfalls Wissenschaftler an der ANU –, wird gemeinsam mit der ESA weiterentwickelt.

Bei diesem Triebwerk-Design wird Gas in einer Rohrkammer (die Quellenröhre) mit einem offenen Ende eingespritzt, in die mittels einer speziell geformten, um die Kammer herum gewickelte Antenne eine Radiofrequenz-Wechselstrom-Leistung von 13,56 MHz eingekoppelt wird. Ein Prototyp des Raumfahrzeug-Antriebsmotors mit 15 cm Durchmesser wird im Jahr 2010 Tests unterzogen, ein späterer thruster wird in der Wombat XL genannten Raum-Simulationsanlage der ANU untersucht.

Im Januar 2008 erhält das Raumfahrt-Unternehmen EADS Astrium in Friedrichshafen den Projektauftrag der ESA für die Entwicklung und den Bau eine Sonde namens BepiColombo, die im Rahmen einer Kooperation zwischen der ESA und der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA eigentlich 2013 zum Merkur starten sollte

Den solarbetriebenen Ionen-Antrieb dafür stellt das US-Unternehmen QinetiQ, das vom Auftraggeber Astrium dafür 23 Mio. £ erhält. Die Wichtigkeit des Einsatzes dieses Antriebs liegt in diesem Fall nicht so sehr in der Beschleunigung zum Erreichen des sonnenächsten Planeten, sondern in der Möglichkeit, dort mittels der solarelektrischen Technologie und der starken Sonneneinstrahlung effektiv abbremsen zu können. Die Firma hatte ihren 22 cm durchmessenden T6 Ionen-Antrieb in den späten 1990ern entwickelt. Bereits 2002 war er von der NASA erfolgreich getestet worden.

Da die Entwicklung diverser Komponenten der Merkur-Mission jedoch länger dauert als geplant, wird der Starttermin zunächst auf Juli 2014, dann auf August 2015 verschoben. Aktuell ist der Start für Januar oder Februar 2017 geplant.


Die o.e. Asteroidensonde Hayabusa der japanischen Raumfahrtagentur JAXA wird im Mai 2003 zum Asteroiden (25143) Itokawa gestartet. Da aufgrund größerer Sonnenstürme einige Solarzellen der Sonde beschädigt werden, wodurch die Ionentriebwerke weniger Strom erhalten und somit weniger Schub liefern können, verzögert sich das ursprünglich geplante Ankunftsdatum im Juni 2005 aber auf den September. Dann erreicht die Sonde wohlbehalten ihr Ziel und kann auch Bodenproben entnehmen.

Hayabusa ist die erste japanische Raumsonde mit Ionentriebwerken, besitzt Galliumarsenid-Solarzellen mit 2,6 kW Leistung und hat 60 kg Xenon sowie 70 kg chemischen Treibstoff (Hydrazin) an Bord.

Der Rückflug verzögert sich wegen diverser technischer Probleme mit der Lageregelung, den Hydrazintriebwerken und der Datenübertragung zwar um drei Jahre, doch im Juni 2010 tritt die abgetrennte Rückkehrkapsel über Australien wieder in die Erdatmosphäre ein und ist damit das erste Raumfahrzeug überhaupt, daß eine Probe von der Oberfläche eines Asteroiden mit zurückbringt.

 

Im September 2008 berichtet die Presse, daß chinesische Forscher der Northwestern Polytechnical University (NPU) in Xi’an um die Professorin Juan Yang behaupten, die elektromagnetische Theorie hinter einem ,unmöglichen’ Raumfahrt-Antrieb bestätigt zu haben und nun eine Demo-Version davon bauen wollen. Dabei handelt es um den EmDrive (electromagnetic drive, auch: RF resonant cavity thruster) des britischen Raumfahrtingenieurs Roger J. Shawyer und seiner 2001 gegründeten Firma Satellite Propulsion Research Ltd. (SPR), den Yang seit Juni 2007 untersucht.

Das Patent dahinter trägt den Namen ,Digitally controlled beam former for a spacecraft’ und stammt noch aus der Zeit, als Shawyer Mitarbeiter der britischen Matra Marconi Space UK Ltd. war (US-Nr. 5543801, angemeldet 1994, erteilt 1996). Der EmDrive soll elektrische Energie in Schubkraft umwandeln, ohne hierfür irgendeine Form von Treibmittel zu benötigen, indem sich Mikrowellen innerhalb eines geschlossenen Containers bewegen. Was eine ganze Phalanx von Skeptikern auf den Plan ruft, denn einen rückstoßfreien Antrieb darf es einfach nicht geben. Wenn es denn so einer sein sollte, was Shawyer jedoch dementiert.

Da die SPR vom damaligen britischen Ministeriums für Handel und Industrie einen auf drei Jahre verteilten Zuschuß in Höhe von 250.000 £ erhält, kann das Unternehmen schon im Dezember 2002 einen funktionierenden Prototypen demonstrieren, der von einem 850 W Magnetron angetrieben einen Schub von etwa 0,02 Newton liefert. Später wird berichtet, daß das Gerät aber nur für ein paar Dutzend Sekunden betrieben werden konnte, bevor das Magnetron wegen Überhitzung ausfiel.

Im Oktober 2006 wird bei Tests mit einem neuen wassergekühlten Prototyp und 300 W Mikrowellenleistung ein Schub von 0,1 Newton erreicht, worauf Shawyer plant, sein Gerät bis Mai 2009 in den Raum zu bringen, dessen Resonanzhohlraum bis dahin aus einem Supraleiter bestehen soll. Bei angemessener Finanzierung hält er kommerzielle terrestrische Luftfahrzeuge mit EmDrives als Hebe-Motoren bis zum Jahr 2020 als realistisch.

Die erzeugte Schub ist klein, aber signifikant, und Shawyer vergleicht seinen C-Band EmDrive mit dem bestehenden NSTAR-Ionentriebwerk (s.o.). Der EmDrive produziert 85 mN Schub im Vergleich zu den 92 mN des NSTAR, verbraucht aber nur ein Viertel der Menge an Energie und wiegt weniger als 7 kg im Vergleich zu mehr als 30 kg des NSTAR-Antriebs. Der größte Unterschied ist jedoch der Treibstoff, von dem NSTAR pro Stunde 10 g verbraucht, während der EmDrive überhaupt gar keinen benötigt. Was bedeutet: Der Transport von Treibmitteln ist überflüssig, und solange eine Stromversorgung sichergestellt ist, macht der EmDrive endlos weiter.

Die Möglichkeiten sind phänomenal: Anstatt auszufallen, sobald ihnen der Treibstoff ausgeht, hätten Satelliten eine stark erweitert Lebensdauer und wären in der Lage sich nach Belieben zu bewegen. Raumsonden könnten weiter und schneller fliegen - und auch stoppen, wenn sie ankommen. Mit einem ausgereiften solarbetriebenen EmDrive würde eine bemannte Mission zum Mars nur 41 Tage dauern.

Im Jahr 2010 wird eine weiterer Demonstrator des Antriebs gebaut und mit verschiedenen Hohlraumformen und bei höheren Leistungsstufen getestet, wobei auf einem Teststand, der üblicherweise verwendet wird, um präzise Tests an Raumfahrzeug-Motoren wie Ionenantrieben durchzuführen, bei 2.500 W Eingangsleistung eine maximale Schubkraft von 720 mN gemessen werden kann. Dieser Versuch wird im November 2012 von dem chinesischen Forscherteam mit einem 2,45 GHz EmDrive wiederholt und bestätigt. Daneben liegen bereits sieben unabhängige positive Bewertungen von Experten der Firmen BAE Systems, EADS Astrium, Siemens sowie der britischen Institution of Electrical Engineers (IEE) vor.

Im Juli 2014 berichtet ein NASA-Team des Advanced Propulsion Physics Laboratory am Johnson Space Center (JSC), das informell auch als Eagleworks bekannt ist, über positive Ergebnisse bei einem im August 2013 durchgeführten achttägigen Test eines Antriebssystems, das ähnlich dem EmDrive Schubkraft per Mikrowellen erzeugt.

Unter der Leitung des Physikers Harold G. White wird an dem von US-Wissenschaftler Guido Paul Fetta erfundenen Cannae-Antrieb (vormals Q-drive) gearbeitet, dessen Hohlraum ebenfalls asymmetrisch, aber flacher ist als der des EmDrive. Auch hier prallen die Mikrowellen von den Wänden eines Behälters ab, um Schub zu erzeugen. Die Umbenennung bezieht sich übrigens laut Fetta auf die Schlacht von Cannae im August 216 v. Chr., als der karthagische Feldherr Hannibal mit einem verhältnismäßig winzigem Heer 16 Legionen der Römer besiegte.

Fetta, Chef der in Pennsylvania beheimateten Firma Cannae LLC, hat zwei Patentanmeldungen eingereicht, 2006 ein ,Resonating cavity propulsion system’ (WO-Nr. 2007089284), und 2012 einen ,Electromagnetic thruster’ (US-Nr. 20140013724). Eigenen Angaben zufolge habe er bereits Anfang 2011 eine supraleitende Version des Cannae drive getestet, wobei er durch das Senden von 10,5 W HF-Leistungsimpulsen (bei 1047,335 MHz) eine Schubkraft von 8 - 10 mN erzeugen konnte.

Die NASA-Forscher bestätigen nun, daß die Düse im Testverlauf, sobald ihre Resonanzkammer durch das Senden von Leistungsimpulsen von 50 W (bei rund 935 MHz) erregt wird, eine Schubkraft von 30 - 50 mN erzeugt.

Bis 2015 ist zwar noch immer kein EmDrive in Schwerelosigkeit getestet worden, doch im April bestätigen Forscher des JSC immerhin erfolgreiche Vakuum-Versuche mit dem elektromagnetischen Antriebssystem, sodaß die weitere Entwicklung spannend bleibt.

 

Im September 2011 wählt die NASA zwei bahnbrechende Weltraumtechnologie-Projekte für die Weiterentwicklung aus. Dabei wird betont, daß diese beiden neuen Projekte nur der Anfang der Bemühungen der Agentur sind, an revolutionäre Technologien zu kommen, wie sie für zukünftige Missionen erforderlich sind.

Zum einen geht es dabei um die Entwicklung einer Lithium-Ionen-Batterie durch die Firma Amprius Inc., bei der man sich die Materialoptimierung von Silizium-Anoden und Elektrolytformeln konzentriert, um den Anforderungen der extrem niedrigen Temperaturen im Raum zu entsprechen. Das zweite Projekt unter dem Namen Ride the Light soll neue Methoden zur Energieübertragung über große Distanzen erforschen und Wege aufzeigen, wie sich weit entfernte Raumschiffe oder Sonden mittels Licht- oder Mikrowellenstrahlen von der Erde oder von Satelliten aus mit Energie versorgen lassen.

Unter dem Titel Lightforce wird eine Methode zur Vermeidung von Kollisionen in der Umlaufbahn verfolgt, bei der alleine der Photonendruck eines Boden-Lasers zum Einsatz kommen soll. Indem Trümmer aus dem Weg einer Kollision ,geschubst’ werden, lassen sich diese verlangsamen oder daran hindern, Satelliten zu gefährden, denen ein On-Board-Antrieb fehlt. Im Gegensatz zu anderen Raummüll-Sanierungskonzepte sei Lightforce viel billiger.

Mit Millimeterwellen arbeitet dagegen das Millimeter-wave Thermal Launch System (MTLS), ein Startsystem für kleine Nutzlasten von bis zu 230 kg in den Low Earth Orbit (LEO), bei dem die Energie vom Boden aus auf die Trägerrakete gestrahlt wird, um diese mit Antriebsenergie zu beliefern.

Die NASA stellt den Unternehmen Teledyne, Boeing, Aerojet, ATK, LaserMotive, Aerospace Corp. sowie der Carnegie Mellon University in Pittsburgh und dem NASA-eigenen Jet Propulsion Laboratory rund 3,7 Mio. $ zur Verfügung, um bis 2013 entsprechende Machbarkeitsstudien durchzuführen; anschließend soll über die Fortsetzung der Projekte entschieden werden.

Noch vor Ende des Jahres folgt die Ankündigung der NASA, daß sie Vorschläge für Missions-Konzeptstudien mit einem Ionen-Hochleistungs-Solarelektroantrieb (SEP) angefordert habe, der sich  als ,Raum-Schlepper’ verwenden ließe, um Nutzlasten aus dem erdnahen Orbit (LEO) in höhere Umlaufbahnen zu heben, einschließlich einer geostationären Erdumlaufbahn (GEO) und dem Lagrange-Punkt eins (L1). Hierfür erhalten die Unternehmen Analytical Mechanics Associates, Ball Aerospace & Technologies, Boeing, Lockheed Martin und Northrop Grumman jeweils viermonatige Studienverträge in Höhe von insgesamt rund 3 Mio. $. Northrop Grumman will in Partnerschaft mit den Sandia National Laboratories und der University of Michigan das Konzept eines bis 300 kW und darüber hinaus skalierbaren Antriebs verfolgen.

Auch auf einem viertägigen Workshop am California Institute of Technology im Oktober 2011, bei dem es um den Plan geht, einen erdnahen Asteroiden noch näher zur Erde zu bringen und als Basis für künftige bemannte Raumfahrt-Missionen zu nutzen, wird u.a. untersucht, ob eine Roboter-Sonde, die sich auf einem Asteroiden verankert, diesen dann mit einem solar-elektrischen Antrieb aus seiner Bahn drücken kann.

DE-STAR-Konzept Grafik

DE-STAR-Konzept (Grafik)

Noch einen Schritt weiter geht ein Projekt der Professoren Philip M. Lubin von der UC Santa Barbara und Gary B. Hughes von der California Polytechnic State University, das im Februar 2013 in die Presse kommt. Die Forscher schlagen ein massives Solarsystem vor, um die Erde gefährdende Meteore und Asteroiden mit einem leistungsfähigen Laser innerhalb einer Stunde zerstören.

Unter dem Namen DE-STAR (Directed Energy Solar Targeting of Asteroids and exploRation) soll ein im wesentlichen auf aktuellen Technologien basierendes System entwickelt werden, bei dem ein massives, durch Sonnenenergie aufgeladenes Gitter aus Lasern rund um die Erde die potentiell bedrohlichen Gesteinsbrocken so stark erhitzt, daß diese zerplatzen oder verdampfen.

Das System wäre aber ebenso in der Lage, die Umlaufbahn von Asteroiden zu ändern – sie von der Erde weg oder in die Sonne zu lenken –, oder als Instrument zur Bestimmung der Zusammensetzung von Asteroiden genutzt zu werden, um die Chancen für einen Bergbau zu bewerten.

Am 30. Juni 2015 wird übrigens der erste offizielle Asteroid Day zelebriert, die u.a von dem Queen-Gitarrist und Astrophysiker Brian May mitbegründet wird - zum Gedenken an das Tunguska-Ereignis am selben Tag des Jahres 1908.


Daß sich auch Universitäten nicht zu schade sind, eine Kickstarter-Crowdfunding-Kampagne zu starten, beweist Prof. Benjamin Longmire von der University of Michigan, der im Juli 2013 eine ebensolche startet, um einen Miniatur-Plasmatrieb in einen 3U CubeSat zu installieren (s.u. Sonnensegel), damit dieser den LEO verlassen und auf Kreuzfahrt durch das Sonnensystem gehen kann.

Prof. Longmire ist einer der Entwickler des VASIMR (s.o.), der Ad Astra im vergangenen Jahr verlassen und an die Universität gewechselt ist. Seine Gruppe arbeitet an einem sehr kleinen Permanentmagnet-Ionenantrieb namens CubeSat Ambipolar Thruster (CAT), der ebenso wie der VASIMR zur Erzeugung von Plasma eine Helikonentladung nutzt.

Beim CAT wird das Treibgas (in diesem Fall Wasserdampf) durch einen Quarzfeinfilter in eine Quarzkammer geleitet, die ein offenes Ende aufweist. Anschließend wird eine Hochfrequenzleistung in die Kammer eingekoppelt, die sowohl bewirkt, daß das Gas ein Plasma bildet, als auch eine Spiralwelle erregt, die das Plasma effizient auf Temperaturen von einigen Hunderttausend Grad aufheizt.

Die CAT-Ionisationskammer besitzt Permanentmagneten, die so angeordnet sind, daß sie eine magnetische Düse formen, die das heiße Plasma von der Kammer weg leitet, wodurch der Schub entsteht. Elektronen, die viel leichter sind als die Ionen, versuchen aus der Düse zu fließen, noch bevor sich die Ionen in Bewegung setzen. Sobald sich die Elektronen aber bewegen, verlangsamt das elektrische Feld zwischen den Elektronen und Ionen die ersteren, während die letzteren beschleunigt werden. Damit sind nun sowohl Elektronen als auch Ionen in der gleichen Richtung unterwegs, obwohl sie entgegengesetzte elektrische Ladungen besitzen, ein Phänomen namens ambipolare Diffusion.

Letztlich soll der CAT bei einem Gewicht von etwa 0,4 kg fähig sein, Impulswerte zwischen 2.000 und 5.000 Sekunden mit einer Schubkraft von etwa 0,2 mN pro Watt zu erzielen – und dies solarbetrieben durch vier Solarzellen, die im Orbit entlang der Seiten des Satelliten ausgeklappt und insgesamt 20 W Leistung liefern werden. Die nominale Dauerleistung beträgt 10 Watt, was etwa 2 mN Schub entspricht. Durch Speichern des Solarenergie für einen kurzen Zeitraum können auch kurze Bursts mit größerem Schub geliefert werden.

Die Kickstarter-Finanzierung schlägt leider fehl, denn von dem Finanzierungsziel in Höhe von 200.000 $ können bis zum Zieldatum im August 2013 nur 67.865 $ erreicht werden.

 

Für die Entwicklung einer neuen Generation von Kommunikationssatelliten, die mittels Ionen-Triebwerken rein mit Solarstrom angetrieben werden sollen und deren Plattform den treffenden Namen Electra trägt, schließt die ESA im Oktober 2013 einen Vertrag in Höhe von 16 Mio. $ mit dem kommerziellen Satellitenbetreiber SES in Luxemburg sowie dem Bremer Raumfahrtkonzern OHB Systems AG. Der erste Electra-Satellit soll voraussichtlich Ende 2018 ins All fliegen.

 

Ebenfalls im Oktober 2013 berichten die russischen Wissenschaftler Yuri Rezunkov vom Institute of Optoelectronic Instrument Engineering und Alexander Schmidt vom Ioffe Physical Technical Institute in St. Petersburg über einen neuen Weg, um ein Raumschiff während des Starts und im Flug zu beschleunigen, indem es von einem bodenbasierten, fokussierten Super-Hochleistungs-Laser bestrahlt wird. Das Verfahren verwendet einen durch Laserablation (Laserabtragung) bewirkten Plasmastrom, um die Effizienz eines herkömmlichen Raketenantriebssystems zu erhöhen.

Dies ist zwar kein eigenständiger Antrieb, aber eine auf elektrischer Energie basierende Verstärkung, weshalb sie hier auch zu erwähnen ist. Neben der Lancierung von Kleinsatelliten in Erdumlaufbahnen sei damit zumindest theoretisch auch bei Überschall-Flugzeugen eine Beschleunigung auf mehr als Mach 10 möglich. Ein bislang ebenfalls nur theoretisches Problem ist der Fakt, daß ein so starker Laser auch als Waffe genutzt werden kann, um z.B. unliebsame Satelliten abzuschießen.

 

Im Januar 2015 meldet das im Vorjahr gegründete MIT-Startup Accion Systems Inc. aus Cambridge den Erhalt von zusätzlichem Startkapital in Höhe von 2 Mio. $, um die Produktentwicklung seiner qualitativ hochwertigen und kostengünstigen Antriebstechnologie für Mikrosatelliten zu beschleunigen, deren Grundlagentechnik am Space Propulsion Lab des MIT entstand. Die erste erfolgreiche Demonstration war im Oktober 2014 erfolgt, als in einer Vakuumkammer ein CubeSat zum Drehen gebracht wird.

Der unglaublich kleine Ionen-Antrieb, ein goldbeschichtetes Quadrat aus Silizium von der Größe eines Cent, sieht mehr aus wie ein Computer-Chip als ein Raketentriebwerk – denn die in die Oberfläche des Siliziums geätzten 480 Minidüsen sind kaum sichtbar. Für den Einsatz bei Mikrosatelliten lassen sich Dutzende der Accion-Thruster zusammen mit dem notwendigen Treibstofftank in ein Antriebssystem packen, das kaum größer ist als ein Kartenspiel.

Accion-Thruster

Accion-Thruster

Effiziente Antriebssysteme für Mikrosatelliten würden diesen erlauben, in Formation zu fliegen, um damit ähnlich leistungsfähig zu sein wie größere und teurere Satelliten – beispielsweise im Bereich der Bildgebung. Auch der Orbit kann so länger gehalten werden, was eine Verlängerung der Nutzungszeit bis zum Zehnfachen der aktuellen Mikros zur Folge hätte. Das erste Modell von Accion Systems mit dem Namen MIN-0 erreicht bei Tests einen eindrucksvollen Schub von 30 uN.

Da die Firma im Juni 2015 aus dem Rapid Innovation Fund (RIF) des Department of Defense Mittel in Höhe von 3 Mio. $ erhält, sollte der weiteren Entwicklung nichts im Wege stehen. Als erstes Produkt ist ein 5 W MAX-1 Small Satellite Electric Propulsion System mit 120 µN vorgesehen, das etwa 110 g wiegt. Diesem soll als nächstes ein elektrisches Linearschub-Antriebssystem mit 5 mN golgen.

 

Im März 2015 startet von der Cape Canaveral Air Force Station eine Falcon 9 Rakete der Firma SpaceX mit zwei kommerziellen, in weniger als drei Jahren entwickelten Boeing 702SP (Small Platform) Kommunikationssatelliten an Bord (ABS-3A und EUTELSAT 115 West B), die als die weltweit ersten vollelektrischen Satelliten gelten, da sie energieeffiziente Ionentriebwerke nutzen um ihre Umlaufbahn innerhalb einiger Monate zu erreichen und dann zwei Jahrzehnte lang zu halten.

Die Xenon Ion Propulsion System (XIPS) Antriebe machen sie auch deutlich leichter als herkömmliche Satelliten mit chemischen Triebwerken, weshalb die 61 Mio. $ teure Falcon 9 gleich zwei der Satelliten auf einmal aufnehmen kann. Der Xenon-Verbrauch der vier 25 cm Triebwerke zur Bahnregelung beträgt 5 kg pro Jahr, während der benötigte Strom von Galliumarsenid-Solarzellen kommt, die bis zu 18 kW Leistung erzeugen.

 

Im April 2015 gibt die im Jahr 2007 durch den Neuseeländer Peter Beck gegründete Firma Rocket Lab Ltd. mit Hauptsitz in Auckland und einen Startplatz auf den Mercury Islands, die von dem Waffenhersteller Lockheed Martin Corp. und anderen High-Tech-Investoren wie Khosla Ventures,  K1W1, Bessemer Venture Partners und Callaghan Innovation finanziert wird, bekannt, daß sie noch vor Ende des Jahres die erste „mit Batterien betriebene“ Rakete ins All bringen will.

Bislang hatte das Unternehmen nur im November 2009 eine 6 m lange und 60 kg schwere suborbitale Höhenforschungsrakete namens Ātea-1 (Māori für ,Weltraum,) gestartet. Im Dezember 2010 folgte dann der Auftrag des Operationally Responsive Space Office (ORS) der USA, um eine kostengünstige Trägerrakete zu konzipieren, die Nanosatelliten in einer Umlaufbahn plazieren kann.

Im Juli 2014 wird gemeldet, daß das Unternehmen an der Entwicklung einer zweistufigen, 20 m langen und 1 m durchmessenden Trägerrakete aus Kohlefaser-Verbundwerkstoffen namens Electron arbeitet, mit der kleine Nutzlasten bis 100 kg billiger und schneller in den erdnahen Orbit gebracht werden sollen.

Nun, im April 2015, veröffentlicht das Unternehmen Details über seinen neuen Rutherford-Motor, benannt nach dem in Neuseeland geborenen Physiker Ernest Rutherford, dessen Turbopumpe anstelle eines Gasgenerators, Expanders oder Vorbrenners von einem batteriebetriebenen Elektromotor angetrieben wird – was auch der Grund dafür ist, die Rakete als batteriebetrieben zu bezeichnen. Die Turbopumpe gilt als das Herzstück eines typischen Raketenmotors, die sich als Hochdruck-Treibstoffpumpe mit bis zu 30.000 Umdrehungen pro Minute drehen muß, um den für die Verbrennung des Treibstoffs erforderlichen Druck zu generieren.

Rocket Lab ersetzt die Gasturbine durch leistungsstarke bürstenlose Gleichstrommotoren, die von Lithium-Polymer-Batterien versorgt werden, um den flüssigen Sauerstoff und das Kerosin    in die Brennkammer zu fördern, womit eine Effizienzsteigerung von 50 % bei einem typischen Gasgenerator auf nun 95 % erreicht wird. Die Batterien der neuen Trägerrakete sollen knapp ein Megawatt Strom liefern.

Besonders interessant finde ich, daß alle Hauptkomponenten des Motors, der in beiden Raketestufen eingesetzt wird, einschließlich der Motorkammer, des Injektors, der Pumpen und der Haupttreibstoffventile über Elektronenstrahlschmelzen im 3D-Druckverfahren hergestellt werden, wobei überwiegend Titan und andere Legierungen zur Verwendung gelangen. Der leichte Motor kann in nur drei Tagen ,gedruckt’ werden – was mit traditionellen Herstellungsmethoden etwa einen Monat dauern würde.

Das Unternehmen erwartet, die ersten kommerziellen Satellitenstarts mit einer Nutzlast von 400 kg in Erdumlaufbahnen bzw. 100 kg in eine 500 km entfernte sonnensynchrone Umlaufbahn im Jahr 2016 durchzuführen – zu Kosten von 4,9 Mio. $ pro Start.

 

Im Mai 2015 wird eine kleine Ecke des Schleiers um den hochgeheimen, experimentellen, unbemannten und wiederverwendbaren Raumgleiter X-37 gelüftet, der ursprünglich im Auftrag der NASA von der Boeing-Tochter Boeing Phantom Works entwickelt wurde.

Bei der der nun erfolgten vierten Mission (OTV-4), an der Spitze einer Atlas V Rakete, setzt das Raumfahrzeug vier Kleinstsatelliten aus und testet ein 32 m2 großes Solarsegel sowie einen Hallantrieb, der den Ionentriebwerken der Dawn Raumsonde ähnlich ist (s.o.).

Hall-Effekt-Antrieb

Hall-Effekt-Antrieb

Ein Hallantrieb (oder Hall-Effekt-Antrieb, Hall-Effect Thruster, HET), benannt nach dem amerikanischen Physiker Edwin Herbert Hall, ist ein Ionentriebwerk, bei dem ein Magnetfeld die Effizienz erhöht, indem es die Elektronen behindert, die Anode zu erreichen. Mit dieser Art Ionenquelle sind hohe Schubwirkungsgrade und hohe Einsatzdauer auch bei hohen Leistungen bis in den 100 kW-Bereich möglich. Wie bei anderen Ionentriebwerken wird als Stützmasse typischerweise Xenon verwendet, dessen positive Ionen durch ein elektrisches Feld auf Geschwindigkeiten von 10 – 80 km/s beschleunigt werden.

Zur Flugreife gebracht wird der Hall-Effekt-Antrieb von der russischen Firma FAKEL in Kaliningrad, wobei der Ersteinsatz im Jahr 1971 auf dem Satelliten METEOR erfolgt sein soll (nicht verifiziert). Im Laufe der Folgejahre werden dann mehr als 50 Satelliten mit Antrieben der Firma FAKEL ausgerüstet. Weitere Entwicklungen, insbesondere nach der Öffnung des Eisernen Vorhangs, als die Technologie des Hallantriebs in die westliche Welt exportiert wird, werden in Frankreich (Snecma, SMART-1, s.o.), Italien (Alta Space SpA, erster erfolgreiche Prototyp im Jahr 1994) sowie in den USA (Busek, Aerojet, JPL, NASA und an den US Airforce Research Laboratories) durchgeführt, wo die erste Fluganwendung mit einem Hallantrieb allerdings erst im Jahr 2010 durch Aerojet erfolgt.

Obwohl auch in in Japan seit den 1980er Jahren an Hallantrieben geforscht wird, ist bisher noch keine praktische Anwendung im Weltall erfolgt. Erfolgreich in eine sonnensynchrone Umlaufbahn in 600 km Höhe gestartet wird dagegen im November 2013 der Erdbeobachtungssatellit DubaiSat 2 der Vereinigten Arabischen Emirate, der für die Satellitenbahn-Korrektur mit einem Hall-Effekt-Antriebssystem der südkoreanischen Firma Satrec ausgestattet ist.

Und auch der bereits im Juli 2013 gestartete Kommunikationssatellit Alphasat I-XL (o. Inmarsat-4A F4), der im Auftrag von Inmarsat und der ESA von einem europäischen Firmenkonsortium unter Führung von Thales Alenia Space (TAS) und Astrium gebaut wurde, verwendet vier schwenkbare PPS 1350 Hall Effect Thruster von Snecma (inzwischen: Safran).

Durch die langjährige Optimierung werden bereits Schubwirkungsgrade über 50 % realisiert, wobei mit Experimentalmodellen sogar schon bis zu 75 % erreicht worden sind. Im Jahr 2015 arbeitet ein Team am Plasmadynamics and Electric Propulsion Laboratory (PEPL) der University of Michigan am Bau des Prototyps eines 100 kW X3 Hall-Thrusters.


China wiederum startet im Jahr 2012 die Shijian-9 Satelliten, um die Funktionen von zwei experimentellen Hall-Thrustern zu testen, die bis zu 5 kW leisten. Bis Ende 2016 soll ein Kommunikationssatellit mit einem Hybrid-Antrieb folgen, und um 2020 herum ist geplant, den ersten Satelliten mit vollelektrischem Antrieb in eine Umlaufbahn zu senden. Zu diesem Zweck will die China Acdemy of Space Technology (CAST) bis dahin ein 50 kW Elektrotriebwerk entwickeln.

Weiterereichende Pläne betreffen die zukünftige chinesische Raumstation, auf der ebenfalls elektrische Antriebssysteme verwendet werden sollen – und eine Marsmission, bei der ein 300-Tonnen-Raumschiff, das bon einem Gitter aus 40 elektrischen 50 kW Triebwerken angetrieben wird, den Roten Planeten in 200 Tagen erreichen könnte.


Dem Stand von 2015 zufolge bietet die Firma Airbus Defence and Space drei unterschiedliche RIT-Antriebe an: RIT µX (50 - 500 µN / > 50 W), RIT 10 EVO (5 mN – 15 mN – 25 mN / 145 W – 435 W – 760 W) und RIT 2X (80 mN – 115 mN – 168 mN – 200 mN / 2185 W – 2985 W – 4650 W – 5785 W).

Auch die Busek Co. Inc. hat drei Ionenantriebe im Angebot: BIT-1 (0,1 mN / 10 W), BIT-3 (1.4 mN / 60 W) und BIT-7 (11 mN / 360 W).

Der Hersteller Aerojet Rocketdyne wiederum nennt auf seiner Homepage ein Produktportfolio, das einen 100 W Pulsed Plasma Thruster (PRS-101), einen 0,8 kW Electrothermal Hydrazine Thruster (Resistojet, MR-502), eine 2 kW Hydrazine Arcjet and Power Processing Unit (MR-510) und ein 30 kW High Power Ammonia Arcjet and feed system umfaßt (ESEX). Hinzu kommen ein 5 kW Hall thruster sub-system (Zero-Erosion XR-5) sowie den oben erwähnten NASA Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) mit 6,9 kW.

Im Mai 2015 werden von der NASA im Rahmen des NIAC-Programms 15 Gewinner bestimmt, darunter auch ein Robo-Tintenfisch der Cornell University, der die Tiefen des Jupitermondes Europa erforschen soll (ja, genau den, den wir laut 2001 nicht besuchen dürfen). Das Glenn Research Center will wiederum eine U-Boot-Drohne auf den Saturn-Mond Titan bringen.

Ein von der Firma ICS Associates Inc. eingereichtes Projekt betrifft wiederum das sogenannte Optical Mining, bei dem eine Technik eingesetzt werden soll, um mit konzentrierten Sonnenstrahlen das zu Eis gefrorene Wasser von erdnahen Asteroiden abzuschmelzen und in aufblasbaren Säcken einzufangen.

Nach mehreren Monaten des Sammelns, in denen das Asteroid Provided In-Situ Supplies (APIS) genannte Projekt schätzungsweise 100 Tonnen Wasser als festes Eis ernten kann, soll die Sonde einen solarthermischen Antrieb nutzen, um in einen Orbit um den Mond einzuschwenken. Dort kann das Wasser bei einem Rendezvous einem anderen Raumfahrzeug übergeben werden, das es in wertvolle Ressourcen umwandeln würde, beispielsweise zu Trinkwasser, zu Sauerstoff, zu einem Element für Raketentreibstoff oder auch für eine Form von Strahlungsabschirmung.

Im Juli folgt die Meldung, daß sich das Feld der Bewerber auf sieben verringert hat, unter denen sich das Konzept TransFormer des Jet Propulsion Laboratory befindet, bei dem Heliostaten verwendet werden sollen um Roboter, die in dunklen Bereichen des Mondes, wie z.B. dem Shackleton-Krater am Mond-Südpol, mit reflektiertem Sonnenlicht zu betreiben. Dort sollen dann ganze Armeen von Rovern Grabungen und Laboranalysen durchführen, um  langfristig den größten erdfernen Produzenten von flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff für die Betankung interplaneter Reisen zu etablieren.


Doch neben den Ionen-Antrieben gibt es noch weitere Technologien, die eine Erwähnung verdienen.

So wird die Firma Tethers Unlimited Inc. (TUI) im September 2000 von dem 1998 gegründeten NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC), das unkonventionelle Konzepte für die Luft- und Raumfahrt identifizieren und fördert, damit beauftragt, ein cislunares Tether Transport System zu konzipieren. Kooperationspartner ist die Boeing North America, mit der zusammen auch an einem Hypersonic Airplane Space Tether Orbital Launch (HASTOL) System gearbeitet wird. Die 1994 gegründete TUI aus Bothell, Washington, hat sich zum Ziel gesetzt, mittels Tether-Technologien ein ,öffentliches Nahverkehrssystem im Raum’ zu entwickeln.

Es gibt zwei allgemeine Kategorien von Tethern: zum einen ein Transport-System, das  Impuls-Austauschtechniken nutzt – und zum anderen ein elektrodynamisches System, das  mehrere Nutzlasten mit wenig oder ganz ohne Treibstoff transportieren kann.

Ein Impulsaustausch-Halteseil (momentum exchange tether) ist ein langes Kabel aus dünnen Strängen hochfester Fasern wie Spectra oder Kevlar, das verwendet wird, um zwei Objekte im Raum zusammen zu koppeln, so daß sie untereinander Impuls und Energie austauschen können. Damit kann eines der Objekte gegenüber dem anderen nach oben oder unten gedrückt werden – weshalb es als eine Form von Weltraumantrieb bezeichnet werden kann.

Die uns an dieser Stelle mehr interessierenden elektrodynamischen Tether wiederum sind lange Seile, die im Weltall rechtwinklig zum Magnetfeld eines Planeten ausgelegt werden. Da einem elektrischem Leiter, der durch ein Magnetfeld bewegt wird, Spannung induziert wird, kann sich ein Satellit mittels ausreichend weit auslegten Tethern selbst mit Energie versorgen.

Der Nutzen dieses Effekts wird allerdings dadurch eingeschränkt, daß der Leiter, in dem die Spannung induziert wird, selbst ein dem Erdmagnetfeld entgegengesetztes Feld erzeugt, wodurch es zu einer Abbremsung des gesamten Systems aus Raumflugkörper und Tether kommt (Lenzsche Regel). Umgekehrt kann ein Tether, durch den ein starker Strom fließt, zur Beschleunigung eines Satelliten beitragen, da auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld eine Kraft wirkt (Lorentzkraft).

Basiereend auf diesen Technologien will die TUI mittelfristig eine 90 km lange High-strength Electrodynamic Force Tether (HEFT) in eine Umlaufbahn um die Erde bringen, um anschließend eine Lunavator Facility mit einem Tether von 200 km Länge - nebst Gegengewicht und zentraler Masse - in einer Umlaufbahn um den Mond zu plazieren, mit welcher sich Nutzlasten absetzen und aufnehmen lassen. Und langfristig steht das Projekt Mars-Earth Rapid Interplanetary Transport Tether (MERRITT) an.

Da dies aber noch etwas weiter in der Zukunft liegt, beschäftigt sich die TUI erst einmal mit elektrodynamischen Kabeln, die im planetarischen Magnetfeld Schub erzeugen. Als erster Schritt soll im August 2000 vom Marshall Space Flight Center aus eine Delta II Rakete mit einem Air Force Satelliten starten, von der aus im Orbit außerdem ein 15 km langer Draht mit dem Namen Propulsive Small Expendable Deployer System (ProSEDS) ausgerollt und dazu eingesetzt werden soll, um die Umlaufbahn einer verbrauchten Raketenstufe schneller zu senken als dies durch die natürlichen atmosphärischen Einflüsse geschieht.

Hierbei erklärt sich auch die Funktion des Icarus genannten Projekts: Im Gegensatz zu den ersten 10 km des ProSEDS-Drahtes sind die letzten 5 km freigelegt, d.h. ohne Isolierung, um eine elektrische Verbindung zu dem Plasma rund um die Erde herzustellen. Die zweite Stufe der Rakete umkreist die Erde und der mitgeschleppte Draht durchschneidet das irdische Magnetfeld. Zusammen mit der Bordelektronik, den den Kreis schließt, erzeugt der Draht einen elektrischen Strom auf Kosten der Geschwindigkeit, was die Senkung der Flughöhe  zur Folge hat.

Tethers sind schon zuvor im Weltraum getestet worden, jedoch mit unterschiedlichem Erfolg. Zum ersten mal erfolgt das Abrollen eines 30 m langen, durch Rotation stabilisierten Drahtes im September 1966 von Gemini 11 aus. Der nächste Schritt erfolgt mit der gemeinsam mit der italienischen Raumfahrtagentur ASI geplanten und durchgeführten Tethered Satellite System Mission 1 (TSS-1 ) – an Bord des Space Shuttle Atlantis im Juli/August 1992. Aufgrund mechanischer Probleme lassen sich von dem 20 km langen Kabel aber nur 260 m ausrollen.


Tether-Satellit

In den Jahren 1993 und 1994 startet die NASA zwei Experimente mit dem Namen Small Expendable Deployer System (SEDS-I und SEDS-II), bei denen die 20 km langen Kabel an der ausgebrannten zweiten Stufe einer Delta-II Rakete angebracht werden. Im Juni 1993 wird – ebenfalls als sekundäre Nutzlast einer Delta II Rakete – ein Plasma Motor-Generator (PMG) mit einem 500 m langen Kabel zum Einsatz gebracht, um die Funktion von elektrodynamischen Tethern zu demonstrieren. Nähere Informationen dazu liegen mir noch vor.

Im Februar 1996 scheitert dann auch die Nachfolgemission TSS-1R, bei welcher  ein Tether-Satellit aus dem Space Shuttle Columbia freigesetzt wird. Zwar entfaltet sich der Draht auf nur 19,7 km bevor er reißt, aber das ist lang genug, um zahlreiche wissenschaftliche Spekulationen überprüfen. Anderen Quellen zufolge reißt das Band fünf Stunden nach seinem Aussetzen, wobei es bis dahin ein Potential von 3.500 Volt erzeugt hat. Es wird angenommen, daß der Fehler durch einen elektrischen Lichtbogen verursacht wurde, den die Bewegung des leitfähigen Seils durch das Magnetfeld der Erde erzeugt hat.


Ebenfalls 1996 wird vom US Naval Research Laboratory das Projekt Tether Physics and Survivability Experiment (TiPS) gestartet, bei dem zwei Satelliten namens Ralph und Norton mit einer gemeinsamen Masse von knapp 50 km durch ein 4 km langes Kabel von 2 - 3 mm Durchmesser miteinander verbunden werden.

Das Experiment, bei dem Versuche mit Orbital-Manövrieren, Energieerzeugung und künstlicher Schwerkraft stattfinden, wird bis zum Juli 2006 fortgeführt, als das Halteseil reißt.


Die Europäische Weltraumorganisation ESA bringt ihrerseits im Oktober 1997 den Young Engineers Satellite (YES) mit einem Gewicht von etwa 200 kg mit einer Ariane-5G-(502) vom Weltraumbahnhof in Französisch-Guayana auf eine geostationäre Transferbahn (GTO), der in etwa sechs Monaten von mehr als vierzig jungen Ingenieuren und Studenten aus zehn Ländern gebaut wurde und u.a. mit einem 35 km langen Doppelstrang-Kabel ausgestattet ist. Damit soll die Sonde durch Schwingen des Tether-Systems auf nahezu interplanetare Geschwindigkeit gebracht werden. Aufgrund eines kurz vor dem Start geänderten Orbits kann das Tether-Experiment aber nicht ausgeführt werden, um andere Satelliten im Geotransferorbit nicht zu gefährden.

Beim Nachfolger, dem Young Engineers Satellite 2 (YES2), der zehn Jahre später im September 2007 von Baikonur aus gestartet wird, umfaßt die Mission das Abspulen eines Tethers aus einem 0,5 mm dünnem und 30 km langem Seil aus Dyneema-Kunstfasern, an dessen Ende sich die Wiedereintrittskapsel Fotino befindet. Fotino, eine etwa 5,5 kg schwere, kugelförmige Kapsel, soll mit Hilfe des Tethers ohne die sonst üblichen Raketenstufen oder Triebwerke auf eine Wiedereintrittsflugbahn gebracht werden, um dann an einem Fallschirm wieder in Kasachstan zu landen.

Nach Auswertung der Flugdaten wird davon ausgegangen, daß der Tether zwar bis zur vollen Länge abgewickelt wurde, dann aber gerissen ist. Fotino ist daraufhin vermutlich in der Nähe des Aralsees niedergegangen, konnte bislang aber nicht aufgefunden werden.

 

Zurück zur Firma TUI, die im September 2000 zwar das Patent ,Electrodynamic Tether And Method of Use’ erhält (US-Nr. 6.116.544, beantragt 1997), dann jedoch einen herben Rüclschlag verkraften muß, als das ProSEDS-Projekt zuerst auf den Frühsommer 2002 verschoben wird – um nach der Columbia-Katastrophe im Februar 2003 völlig gestrichen zu werden.

Weiter geht es erst im Jahr 2007, als die TUI in Zusammenarbeit mit der Stanford University das Multi-Applikation Survivable Tether (MAST) Experiment durchführt, um die Überlebensfähigkeit von Tethern im Raum zu testen. Im April werden als sekundäre Nutzlast einer Dnepr-Rakete drei jeweils 1 kg schwere CubeSat Module (Gadget, Ted und Ralph) in den Orbit gebracht, die dazu bestimmt sind, sich zu trennen und ein 1 km langes Kabel abzuwickeln.

Die Idee für dieses Projekt geht auf einen Vorschlag von Robert P. Hoyt und Robert L. Forward aus dem Jahr 1995 zurück, die sich dafür den Markennamen Hoytether schützen lassen. Das Konzept umfaßt neue Topologie für einen Tether, die aus einem Gitter aus Strängen besteht, die in einem kreisförmigen Profil angeordnet sind und eine hohe Redundanz besitzen, um möglichen Schäden durch Weltraummüll und Mikrometeoriten zu widerstehen (US-Nr. 6.290.186, angemeldet 2000, erteilt 2001).

Nach dem Start gelingt zwar, Kontakt mit dem mittleren Picosatellit Gadget herzustellen, der eigentlich als Tether-Inspektor langsam das Kabel nach oben und unten kriechen und dabei Fotos machen sollte, nicht aber mit Ted, der den Tether abspulen sollte, noch mit der ,Endmasse’ Ralph. Spätere Radarmessungen zeigen, daß sich das Kabel nur einen Meter weit abgerollt hatte.

Im März 2008 werden dann ihm Rahmen des MISSE-6 Experiments mehrere kurze Proben der von TUI hergestellten Tether auf der Außenseite der Internationale Raumstation ISS installiert. Bei dem vom Space Science and Engineering Laboratory der Montana State University entwickelten Experiment sollen Tether untersucht werden, mit und ohne Beschichtungen, welche die hochfesten Polymergarne vor atomarem Sauerstoff und UV-Licht in der Weltraumumgebung schützen.

Zwischen 2000 und 2015 hat die TUI eine schier unglaubliche Zahl an Forschungsverträgen der NASA, DARPA, NAVY usw. abgegriffen, doch tatsächliche Erfolge kann sie bislang noch immer nicht vorweisen. Dem aktuellen Stand zufolge entwickelt TUI ein Antriebssystem namens Microsatellite Propellantless Electrodynamic Tether (μPET), das als kleines, elektrodynamisches Low-Power Tether-System beschrieben wird, welches für Kleinsatelliten Langzeit-Schub, Abbremsung, Neigungsänderung und Lageerhaltungs-Antrieb liefern soll. Ein erster μPET-Prototyp soll einen 125 kg Mikrosatelliten von einer 350 km hohen Absetz-Umlaufbahn innerhalb von 50 Tagen auf eine 700 km hohe Einsatzbahn heben können.

 

Im Januar 2009 startet als sekundäre Nutzlast an Bord einer japanischen H-IIA Trägerrakete die Space Tethered Autonomous Robotic Satellite (STARS oder Kukai) Mission, die im Rahmen des Kagawa Satellite Development Project an der Kagawa University in Japan entwickelt wurde. Ähnlich dem o.g. MAST-Experiment basiert auch STARS auf einer CubeSat Plattform.

Nach dem Start sollte sich der Satellit Kukai in seine zwei Subsatelliten Ku und Kai trennen, die durch ein 5 m langes Kabel miteinander verbunden sind. Der Satellit trennt sich zwar erfolgreich von der Rakete und wird in die vorgesehene Umlaufbahn gebracht, doch der Tether kann aufgrund von Problemem mit der Startverriegelung des Aufwickelmechanismus nur auf eine Länge von mehreren Zentimetern abgewickelt werden.

 

Im Jahr 2012 erhält die in Mt Pleasant, South Carolina, beheimatete und 1998 gegründete Firma Star Technology and Research Inc. (STAR), die sich im übrigen auch mit dem Thema Weltraumlift (oder Weltraumaufzug, Space Elevator) beschäftigt, einen Vertrag der NASA in Höhe von 1,9 Mio. $ zur Entwicklung eines Tether-Antriebssystems, das unter dem Namen ElectroDynamic Debris Eliminator (EDDE) für die Orbitalmüllbeseitigung qualifiziert ist. Eine Machbarkeitsstudie hatte das Unternehmen bereits im Jahr 2010 im Auftrag der Navy/SPAWAR durchgeführt, und im März 2011 wurde das Patent ,Electrodynamic Structure’   erteilt (US-Nr. 7.913.954, angemeldet 2006).

Basierend auf dem elektrodynamischen Raumfahrtantrieb ist das Ziel ein treibstoffloses,  wiederverwendbares Raumfahrzeug mit nahezu unbegrenztem delta-V, das überall im erdnahen Orbit manövrierbar und dabei kompakt und leicht ist (0,11 m3 / 100 kg). Das Aufnehmen des Raummülls soll mit leichten Netzen erfolgen. Schritte zur Umsetzung des Konzepts sind bislang nicht zu verzeichnen.

 

Einige Hinweise zum Abschluß: Auf Wikipedia findet sich eine ausführliche Liste der Raumflugkörper mit elektrischem Antrieb, weitere elektrische Antriebe werden unter dem Oberbegriff Antriebsmethoden für die Raumfahrt aufgeführt.

Eine sehr gute und übersichtliche Seite mit ausführlichen Details stammt von David Darling: Advanced Propulsion Concents and Projects.

 

Damit endet die lange Reise durch die wahrlich große Welt der (bekannten) Erneuerbaren Energien. Doch bevor Sie meinen digitalen fliegenden Teppich wieder verlassen, gibt es noch ein Abschluß-Statement, das ich Ihnen ans Herz legen möchte.


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