TEIL C

Alternative Antriebe in der Raumfahrt (2)

Neben dem vorstehend erwähnten Vertrag mit Ad Astra stellt die NASA im Jahr 2015 eine ähnlich hohe Fördersumme auch der Firma Aerojet Rocketdyne mit Hauptsitz in Rancho Cordova, Kalifornien, zur Verfügung, um an ,verschachtelten’ Hall-Triebwerken zu arbeiten, mit denen eine höhere Leistung erreicht werden soll. Ein derartiges System aus mehreren zusammenzuhängen Triebwerken möchte die NASA bei einer Asteroiden-Umleitungsmission (Asteroid Robotic Redirect Mission, ARRM) ebenso zum Einsatz bringen, wie auch bei zukünftigen Mars-Missionen.

Die Firma ist das heutige Gesicht der 1942 in Pasadena von dem berühmten Aerodynamiker Theodore von Kármán, dem Anwalt Andrew Haley und weiteren Kollegen des California Institute of Technology gegründeten Aerojet Engineering Corp. Diese wird im Jahr 1996 Teil der Boeing Defense Division, und 2005 trifft Boeing eine Vereinbarung mit Pratt & Whitney, um Aerojet Rocketdyne in deren Abteilung ,Propulsion & Power’ zu überführen.

2013 erwirbt Aerojets Muttergesellschaft, die Aerojet Rocketdyne Holdings Inc. (ehemals: GenCorp Inc.), dann die Rocketdyne Division von Pratt & Whitney, um die neue Aerojet Rocketdyne zu bilden. Neben vielen anderen Produkten lieferte die Firma auch die Hauptmotoren für die Space Shuttles.

Im April 2016 schließt die NASA einen Vertrag in Höhe von 67 Mio. $ mit Aerojet Rocketdyne, um innerhalb von drei Jahren ein Advanced Electric Propulsion System (AEPS) für die Raumfahrt zu entwerfen. Geleitet wird das Projekt von einem Ingenieur-Team des NASA Glenn Research Center, mit zusätzlicher technischer Unterstützung durch Ingenieure des Jet Propulsion Laboratory (JPL). Das AEPS ist der jüngste Schritt des NASA-Projekts Solar Electric Propulsion (SEP).

Im Rahmen des Vertrages soll ein Antriebssystem entwickelt und geliefert werden, das ein Ionen-Triebwerk, eine Leistungsverarbeitungseinheit, einen Niederdruck-Xenon-Durchflußregler und das elektrische Netzwerk umfaßt. Der erforderliche Strom von ca. 50 kW soll durch ein fortschrittliches Solar-Array-System erzeugt werden, dessen Konstruktion ebenfalls vom Space Technology Mission Directorate (STMD) der NASA finanziert wird.

Zur Auswahl steht dabei einmal ein 35 kW Roll Out Solar Array (ROSA) der 2008 gegründeten kalifornischen Firma Deployable Space Systems Inc. (DSS) aus Goleta, die eine ganze Palette extrem leichter, ausrollbarer Solarpaneele anbietet, die teilweise auch als flexible oder starre Konzentrator-Arrays mit Fresnel-Linsen ausgearbeitet sind (SOLAROSA).

Der Raumfahrt- und Rüstungskonzern Alliant Techsystems (ATK; inzwischen: Orbital ATK) mit Sitz in Dulles, Virginia, hat seinerseits für die SEP-Missionen ein schirmartiges 40 kW MegaFlex Solar-Array mit einem Durchmesser von 9,6 m entwickelt, das sich wie ein Fächer 360° um eine Zentralachse entfaltet und zehnmal mehr Leistung als die größte aktuelle Satelliten-Solar-Array-Technologie liefern soll.

Im Oktober 2012 hatte ATK von der NASA 6,4 Mio. $ erhalten, um ultraleichte Hochleistungs-Solar-Arrays für die Stromversorgung großer SEP-Systeme zu entwickeln, deren Tests im Mai 2014 erfolgreich abgeschlossen werden konnten.Das MegaFlex Solar-Array basiert auf der bewährten UltraFlex Solar-Array-Reihe von ATK, die u.a. die im Mai 2008 auf dem Mars gelandete NASA-Raumsonde Phoenix betrieben hat.

Die Arbeiten beim AEPS-Projekt könnten die Effizienz des Raumtransports gegenüber der aktuellen chemischen Antriebstechnik um das zehnfache erhöhen, sowie die Schubfähigkeit im Vergleich zu den gegenwärtigen elektrischen Antriebssystemen mehr als verdoppeln.

Bei der vorstehend genannten AARM-Mission (o. Asteroid Redirect Mission, ARM) soll Mitte der 2020er Jahre ein solarbetriebenes Raumfahrzeug einen Felsblock von der Oberfläche eines Asteroiden holen und in die Nähe des Mondes zurückbringen, wo ihn Astronauten einfangen und studieren können. Dabei soll das größte und fortschrittlichste SEP-System getestet werden, das jemals für Weltraummissionen entwickelt wurde.

Für die AARM-Mission wird 2016 vom GRC und JPL auch ein 12,5 kW Hall-Antrieb mit magnetischer Abschirmung entwickelt (Hall Effect Rocket with Magnetic Shielding, HERMeS). Die erste Entwicklungseinheit (Technology Development Unit 1, TDU-1) zeigt eine dreimal höhere Leistung als die aktuellen Elektro-Triebwerke und eine um 50 % höhere Kraftstoffeffizienz als die sonstigen modernen Hall-Triebwerke.

Im Februar 2017 veröffentlicht die NASA das Bild eines 13 kW Hall-Triebwerks, das seit 2015 am GRC getestet wird. Als solarelektrischer Antrieb (Solar Electric Propulsion, SEP) wird er für künftige Expeditionen von Menschen in die Tiefen des Weltraums, einschließlich zum Mars, benötigt. Der Thruster erreicht eine zehnmal höhere Treibstoffeffizienz als chemische Raketen. 2019 erfolgt die Vergabe der Entwicklungsaufträge für das AEPS an Aerojet Rocketdyne und für das Antriebsmodul PPE an MAXAR (s.u.).

Ab 2015 arbeitet zudem ein Team am Plasmadynamics and Electric Propulsion Laboratory (PEPL) der University of Michigan (U-M) gemeinsam mit der NASA am Bau des Prototypen eines 100 kW Hall-Thrusters mit dem Namen X3, der eines Tages Raumfahrzeuge zum Mars bringen soll.

Im Oktober 2017 berichten die Ingenieure der U-M um Alec Gallimore, daß sie im Juli und August dieses Jahres das Triebwerk X3 erfolgreich getestet haben. Es ist einer von drei Prototypen eines Hall-Triebwerk, die sich derzeit in der Entwicklung befinden, und die entweder für den Transport von Ausrüstungen mit minimalem Energie- und Treibstoffverbrauch über einen Zeitraum von etwa einem Jahr, oder aber für eine hohe Geschwindigkeit optimiert werden sollen, um Besatzungen schnell zum Mars zu bringen.

Bei den Vakuumkammer-Tests bricht das 227 kg schwere X3 gleich mehrere Rekorde, die zuvor von anderen Hall-Triebwerken aufgestellt worden waren. So erreicht das Triebwerk einen Schub von 5,4 N, was signifikant über dem bisherigen Rekord von 3,3 N liegt, und erzielt eine Leistung von 102 kW, womit es den bisherigen Rekord von 98 kW knapp übertrifft. Da das Triebwerk ziemlich viele Abgase ausstößt, die die Messungen stören können, ist die spezielle Vakuumkammer am NASA Glenn Research Center in Cleveland, Ohio, die einzige in den USA, in der das X3 ordnungsgemäß getestet werden kann.

Bevor das Triebwerk gezündet werden kann, dauert es etwa 20 Stunden, die Luft aus der Kammer zu pumpen, um ein Vakuum ähnlich dem im Weltraum zu erreichen. Die Tests sind daher langwierig, denn wenn etwas schief geht, muß die Luft nach und nach wieder hineingepumpt werden, bevor Reparaturen vorgenommen werden können, und dann dauert es weitere 20 Stunden, bis das Vakuum wieder erreicht ist und die Versuche fortgesetzt werden können.

Während die aktuellen Tests mit separaten Stromversorgungen durchgeführt werden, wird das X3 schließlich über eine eigene Einheit verfügen, die derzeit von der Aerojet Rocketdyne entwickelt wird. Sobald dieses in Betrieb ist, sollen weitere Tests in der gleichen Anlage stattfinden, wobei das Team eine Betriebsdauer von 100 Stunden anstrebt. Ab Januar 2018 wird ein 1 Mio. $ teurer Upgrade der Vakuumkammer an der U-M auch dort Tests erlauben.

Tatsächlich wird schon im August gemeldet, daß Aerojet Rocketdyne in Zusammenarbeit mit den NASA-Ingenieuren des Glenn Research Center und des Jet Propulsion Laboratory die ersten Systemintegrationstests des 13 kW Hall-Triebwerks abgeschlossen hat, das das Unternehmen für die NASA baut, und bei dem es sich vermutlich um das obige HERMeS des AEPS-Projekts handelt. Der Schwerpunkt der Entwicklung liegt neben dem Ionentriebwerk selbst auf dem Niederdruck-Xenon-Strömungsregler, der Leistungsverarbeitungseinheit und der elektrischen Verkabelung, die alle im Weltraum mit Solarzellen betrieben werden.

Die NASA hofft, durch den Einsatz eines 50 kW Ionenantriebs die Effizienz des Triebwerks um den Faktor 100 zu erhöhen und die Schubkraft im Vergleich zu derzeitigen elektrischen Antriebssystemen zu verdoppeln. Hierzu geht die Arbeit jetzt in die Phase der Fertigstellung und Verifizierung des Entwurfs über, die zur kritischen Entwurfsprüfung und schließlich zur Produktion führen soll.

Im Mai 2019 wählt die NASA die Firma MAXAR Technologies (früher: SSL) aus Westminster, Colorado, für die Entwicklung und Demonstration von Energie-, Antriebs- und Kommunikationsfähigkeiten für den Außenposten Lunar Gateway der Behörde bekannt.

Das Power and Propulsion Element (PPE), ein solarelektrisch angetriebenes Hochleistungs-Raumschiff, ist die Schlüsselkomponente des 2016 gestarteten Mond-Explorationsprogramms der NASA mit dem Namen Artemis. Das PPE soll eine Startmasse von 5 Tonnen haben, wobei die Hälfte davon auf den Treibstoff entfällt, und in der Lage sein, mit Hilfe von ausrollbaren Paneelen 50 kW Solarenergie für seine Hall-Effekt-Triebwerke zu erzeugen, die durch einen chemischen Antrieb ergänzt werden können.

Das System basiert auf der 2013 begonnenen Entwicklung des ARM space tug/propulsion bus, einem Antriebssystem für das Asteroidenumlenkungsfahrzeug Space Reactor-1 Freedom (SR-1) im Rahmen der Asteroid Redirect Mission (ARM), die jedoch im Juni 2017 zugunsten des Artemis-Programms gestrichen wird. Das ursprünglich von Lanteris Space Systems entwickelte PPE sollte Ionentriebwerke für einen nuklearelektrischen Antrieb verwenden, die durch einen separaten chemischen Bipropellant-Antrieb mit höherer Schubkraft ergänzt werden.

Die NASA plante damals, das PPE in das - später ebenfalls gestrichene - Modul HALO (Habitation and Logistics Outpost) zu integrieren, das als Teil des Lunar Gateway geplant war, und eigentlich 2027 starten sollte.

In Bezug auf SR-1 kündigt die NASA im März 2026 an, daß das Raumschiff nun als erste interplanetarische Mission mit Kernspaltungsantrieb geplant ist. Es soll einen geschlossenen Brayton-Zyklus-Spaltreaktor, der mehr als 20 kW elektrische Leistung erzeugt, mit dem PPE kombinieren, um den nuklearelektrischen Antrieb (Nuclear Electric Propulsion, NEP) in der Tiefe des Weltraums zu demonstrieren.

SR-1 soll für den Transport der SkyFall-Mission zum Mars eingesetzt werden, die u.a. mehrere Hubschrauber auf der Marsoberfläche aussetzen soll. Darüber wird ausführlich in der Übersicht 2021 der Elektro- und Solarfluggeräte berichtet. Als geplanter Startzeitpunkt wird nun der Dezember 2028 angegeben.

Der mit MAXAR abgeschlossene, aktuelle PPE-Vertrag mit einem Gesamtwert von 375 Mio. $ beginnt mit einer 12-monatigen Grundlaufzeit, während der die Konstruktion des Raumfahrzeugs abgeschlossen werden soll. Dies wird durch eine 26-monatige, eine 14-monatige und zwei 12-monatige Optionen ergänzt, um die Entwicklung, den Start und die bis zu einem Jahr dauernde Flugdemonstration im Weltraum zu ermöglichen.

Anschließend hat die NASA die Möglichkeit, das Raumfahrzeug von MAXAR zu erwerben, um es als mobiles Servicemodul und Kommunikationsrelais für Expeditionen von Menschen und Robotern zur Mondoberfläche zu nutzen, beginnend am Südpol des Mondes. Die NASA plant zu diesem Zeitpunkt den Start des PPE mit einer kommerziellen Rakete für Ende 2022.

Im November 2019 meldet Aerojet Rocketdyne, daß das AEPS-Triebwerk seinen ersten Test am JPL mit voller Leistung erfolgreich absolviert hat, wobei es stabil mit einer Leistung von 4,2 kW bis 12,5 kW lief. Das Triebwerk verwendet 5.000 kg Xenon als Treibstoff und ist für eine Lebensdauer von 50.000 Stunden ausgelegt. Zwei Exemplare sollen im Jahr 2022 gestartet werden, die erste bemannte Gateway-Mission ist dann für 2024 geplant.

Im März 2020 wird berichtet, daß aber schon 2021 die Mission Double Asteroid Redirection Test (DART) der NASA und der ESA starten soll, als erste Raumfahrtmission zur Erprobung der planetaren Abwehr gegen erdnahe Asteroiden. Ziel ist das Binär-Asteroidensystem aus dem rund 780 m durchmessenden Didymos (65803) und dessen kleinerem Mond Dimorphos (o. Didimoon; Didymos B) mit einem Durchmesser von ca. 160 m, der sich zwar nicht in einem Kollisionskurs mit der Erde befindet, für den Versuch aber trotzdem von seinem Kurs abgebracht werden soll.

Um das Didymos-System zu erreichen, das zwischen 6 Mio. und 450 Mio. km von der Erde entfernt ist, wird das von Forschern des Glenn Research Center und von Aerojet Rocketdyne entwickelte Ionentriebwerk NEXT-C eingesetzt, was für NASA’s Evolutionary Xenon Thruster - Commercial steht. Das Triebwerk, das mit bis zu 6,9 kW elektrischer Leistung aus zwei Solarmodulen betrieben wird und dabei einen Schub von 237 mN erzeugt, war für fünfeinhalb Jahre im Dauertest, einschließlich Thermalvakuum und Vibration, und zeigte in dieser Zeit wenig Verschleißerscheinungen.

Das Triebwerk NEXT-C, das ungefähr dreimal leistungsfähiger ist als der Vorläufer NSTAR aus den 1990er Jahren, der in der Raumsonden Dawn und Deep Space 1 eingebaut wurde, wird nun einer Reihe von Umwelt- und Leistungstests unterzogen, bevor es in DART installiert wird.

Die im November 2021 gestartete Sonde schlägt Ende September 2022 mit einer Geschwindigkeit von mehr als 22.500 km/h kontrolliert in Dimorphos ein, der sich zu diesem Zeitpunkt in einer relativ geringen Entfernung von 11 Mio. km zur Erde befindet und von Dutzenden Teleskopen dort beobachtet wird. Der kleine italienische Satellit LICIACube (Light Italian CubeSat for Imaging Asteroids), der sich vor der Kollision von DART abkoppelt, begleitet den Einschlag und fotografiert die entstehende Staub- und Trümmerwolke mit zwei optischen Kameras.

Messungen belegen, daß die kinetische Wucht und der austretende Schutt die Umlaufzeit von Dimorphos um den Hauptasteroiden Didymos um etwa 32 - 33 Minuten verkürzt und damit bewiesen hat, daß die Methode des kinetischen Impaktors grundsätzlich geeignet ist, die Bahn eines Asteroiden geringfügig zu verändern, um ihn bei rechtzeitigem Erkennen von der Erde wegzulenken. Weitere Auswertungen zeigen, daß der Einschlag sogar die gemeinsame Umlaufbahn des Asteroiden-Paares um die Sonne minimal verändert hat.

Im Zuge einer Folgemission der ESA namens Hera, die im Oktober 2024 startet, sollen bis Ende 2026 die Bahnen des Asteroiden-Duos genau vermessen sowie der Einschlagskrater, die Oberflächen und die Zusammensetzungen der beiden Körper analysiert werden. Da Hera jedoch mit Hydrazin angetrieben wird, soll hier nicht weiter darauf eingegangen werden.

Bezüglich des PPE ist im März 2021 zu erfahren, daß das 6 kW Subsystems für den solarelektrischen Antrieb kürzlich für den ersten von vielen Bodentests gezündet wurde. Die der NASA finanzierten Hot-Fire-Tests umfassen mehrere Starts und Abschaltungen sowie andere Szenarien, um zu zeigen, daß das System flugbereit ist. Um das elektrische 50 kW Antriebssystem der PPE zu vervollständigen, sollen später mehrere dieser 6 kW Triebwerke mit anderen, leistungsstärkeren Triebwerken kombiniert werden.

Im Dezember 2021 folgen Berichte über eine weitere Mission der NASA, bei der im August 2022 eine Sonde namens Psyche zu dem etwa 222 km großen Metall-Asteroiden Psyche (16) aufbrechen soll, um mehr über die Entstehung von Planeten zu erfahren. Die 3,1 m lange und 2,4 m breite Sonde nutzt zwei riesige Solarpaneele, um den Strom für ihre vier Xenon-Ionentriebwerke zu erzeugen, die sie sanft in Richtung des Asteroiden treiben, der sich im Durchschnitt rund 430 Mio. km von der Erde entfernt in einer Umlaufbahn zwischen Mars und Jupiter befindet.

Der tatsächliche Start erfolgt allerdings verspätet erst im Oktober 2023 an Bord einer SpaceX Falcon Heavy Rakete. Gut ein halbes Jahr später zündet die NASA den Ionenantrieb von Psyche, die damit im Mai 2024 in den Reiseflugmodus übergeht, bei dem sie bis über 200.000 km/h beschleunigt werden soll.

Verläuft alles nach Plan, wird die Raumsonde im Mai 2026 den Mars erreichen, um sich durch dessen Schwerkraft weiter in Richtung Psyche katapultieren zu lassen, wo sie im Juli oder August 2029 ankommen wird. Dort soll sie dann 18 - 26 Monate im Orbit des Asteroiden verbringen, sich diesem bis auf 64 km nähern und per Laser-basierter Kommunikation wissenschaftliche Daten zur Erde schicken.

Im Juli 2023 wird die Aerojet Rocketdyne von der L3Harris Technologies übernommen. Über die weiteren Aktivitäten der NASA wird im späteren Verlauf der Übersicht gesprochen.

Eine etwas geringere Fördersumme von der NASA als die Aerojet Rocketdyne bekommt im Jahr 2015 die Firma MSNW LLC aus Redmond, Washington. Das 1994 gegründete Unternehmen soll eine andere Art von Elektroantrieb entwickeln. Es hatte zwischen 2009 und 2014 schon mehrere Verträge mit der NASA geschlossen, mit einem Gesamtumfang von gut 1 Mio. $, um einen Electromagnetic Plasmoid Thruster (EMPT) mit einer Masse von weniger als 1,5 kg zu entwickeln.

Der hocheffiziente EMPT wird als revolutionäres Elektro-Triebwerk mit einer spezifischen Leistung von mehr als 700 W/kg beschrieben, das gegenüber herkömmlichen Antriebssystemen im Bereich von 200 – 3.000 W eine dramatische Abnahme der Systemmasse bei gleichseitiger Erhöhung der Schubwirkung ermöglichen soll. Ein solar-elektrisches EMPT-System würde zusätzlich die Flugzeit einer Asteroiden- oder Mars-Proben-Beschaffung drastisch verringern.

Der EMPT ist ein gepulstes Gerät, das ein rotierendes Magnetfeld (Rotating Magnetic Field, RMF) verwendet, um innerhalb eines konischen Triebwerks große Plasmaströme zu erzeugen, wodurch ein Plasmoid ensteht, der magnetisch von den Triebwerkswänden isoliert ist. Das verstärkte Gradientenmagnetfeld aus dem Plasmoid führt zusammen mit den großen Plasmaströmen zu einer enormen Kraft, die das Plasmoid mit hoher Geschwindigkeit ausstößt. Zum Einsatz kommt Xenon oder Argon.

2014 wird an einem Electrodeless Lorentz Force Thruster mit der Modellbezeichnung ELF-160A gearbeitet, der die Fähigkeit hat, jedes gasförmigenTreibmittel effizient zu ionisieren und elektromagnetisch über eine breite Palette von spezifischen Impulsen zu beschleunigen. Das Triebwerk erzeugt ein hochdichtes, magnetisiertes Plasmoid, das von einem RMF, gekoppelt mit dem verstärkten axialen Magnetfeldgradienten, auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt wird.

Der ELF-160A ist völlig elektrodenlos, das Treibmittel ist magnetisch vom Triebwerkskörper isoliert, quasi-neutral und es gibt keinen Kontakt zwischen dem Hochtemperatur-Treibstoff und dem Triebwerk. Das vom Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) finanzierte 200 kW Triebwerk wird mit Stickstoff, reinem Sauerstoff und Xenon als primäre Treibmittel getestet und zeigt bei über 100 Stunden Betrieb keine lebensbegrenzenden oder Erosionsprobleme. Darüber hinaus wird der Bau eines fortgeschrittenenen Modells ELF-250 geplant.

Beim aktuellen Update im Mai 2017 scheint die Firma aber nicht mehr sehr aktiv zu sein – dafür aber ihr Spin-Off Helion Energy Inc. (mit personellen Überschneidungen), das ebenfalls in Redmond beheimatet ist. Hier wird eine magneto-inertiale Fusions-Technologie namens Fusion Engine entwickelt, die primär auf den Arbeiten des Firmengründers John Slough an der University of Washington basiert. Der Ansatz kombiniert die Stabilität der magnetischen Eindämmung mit einer einmal-pro-Sekunde gepulsten Inertialfusionserhitzung.

Die Technologie der Fusion Engine beruht auf den von 2005 – 2012 bei der MSNW durchgeführten Experimenten mit induktiven Plasmoid-Beschleunigern (Inductive Plasma Accelerator, IPA), die sich Helion Energy nun lizenzieren läßt. Da sie den Nuklearantrieben zuzuordnen ist, werde ich hier nicht weiter darauf eingehen.

Interessanter ist, daß die MSNW im Rahmen des seit etwa 2013 bestehenden Programms Magnetoshell Aerocapture (MAC), das vom NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) unterstützt wird, auch an einer neuen Methode zum Abbremsen von Raumsonden arbeitet, die u.a. Langzeitstudien der äußeren Planeten und ihrer Monde ermöglichen würde, die mit den bestehenden Bremstechnologien nicht möglich sind. Die Nutzung von planetarischen Atmosphären, um Raumfahrzeuge zu erfassen und zu verlangsamen, würde die Kosten, Startmasse und Reisezeit drastisch reduzieren.

Bei der Magnetoshell-Technologie, die auch unter derm Bezeichnung Magnetoshell AAES (Aerobraking, Aerocapture and Entry System) bekannt ist, wird mit einem magnetisierten Plasma ein einfaches Dipolmagnetfeld entfaltet. Die Wechselwirkung der Atmosphäre mit diesem magnetisierten Plasma bildet ein erhebliches Hindernis für die atmosphärische Strömung hinter dem Raumfahrzeug und erzeugt dadurch den gewünschten Widerstand zum Bremsen. Da die Aeroshell aus einem masselosem Magnetfeld besteht, kann die magnetischen Barriere bis zu 100 m groß sein, ohne dabei mehr als ein Gramm Plasma und einen einfachen Kupfermagneten zu benötigen.

Mit der Fähigkeit, den Widerstand bei wechselnden atmosphärischen Bedingungen schnell und präzise zu modifizieren, können nun mit geringem Risiko viel größere Kräfte erreicht werden, was sehr aggressive Aerocapture-Manöver ermöglicht. In der ersten Phase des NIAC-Programms wird ein vollständiges System für Neptun- und Mars-Missionen entwickelt und schließlich ein stationäres Argon-Magnetoshell mit 1,6 m Durchmesser demonstriert, mit dem ein tausendfacher Anstieg des aerodynamischen Luftwiderstandes erzielt wird. Gleichzeitig kann die Erwärmung während eines Aerocapture-Manövers um das 10.000-fache reduziert werden.

Im Juni 2014 erhält die MSNW eine weitere Finanzierung, um die Technik an einem CubeSat zu demonstrieren. Auf dem Foto ist der Prototyp eines von der Partnerfirma Altius Space Machines Inc. aus Louisville (später: Broomfield) in Colorado gebauten MAC-CubeSats im Maßstab 6U zu sehen, der in der Vakuumkammer der MSNW getestet wird. Der kleine Satellit soll 2015 an die Internationale Raumstation ISS geliefert werden, von wo aus er dann eingesetzt wird um zu versuchen, ihn in die Erdatmosphäre eintreten zu lassen, ohne daß er dabei verbrennt. Bislang ließ sich noch nicht verifizieren, daß dieser Plan auch umgesetzt wurde.

Der Satellit wird eine Kupferspule tragen, die von einer Li-Ion-Batterie versorgt wird und ein Magnetfeld um die Sonde erzeugt. Wenn sie aus der Umlaufbahn absteigt, wird sie eine kleine Menge Plasma ausstoßen, die im Magnetfeld gefangen wird und eine schützende Blase schafft, welche die Luftmoleküle stoppt, die mit der Sonde kollidieren und Wärme erzeugen. Die Luftmoleküle fließen in die Plasmablase und absorbieren Elektronen daraus, womit sie ionisiert werden. Diese neu ionisierte Luft bleibt im Magnetfeld gefangen – weshalb der CubeSat schließlich einen ganzen Schwung der Atmosphäre mitschleppt, was effektiv der Schaffung eines Fallschirms aus Gas entspricht.

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), einem vom Hauptauftragnehmer MBB-ERNO in Bremen gefertigten Forschungssatelliten, der während der Mission STS-46 des Space-Shuttle Atlantis in einer Höhe von etwa 500 km ausgesetzt wird.

Ein Jahr später wird er im Zuge der Mission 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.

Zur Unterscheidung: Beim RIT-Triebwerk (Radiofrequency Ion Thruster) werden die Ionen elektrodenlos 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 auf Forschungen an Hochfrequenz-Ionen-Antrieben, die ab den 1960er Jahren durch Prof. Horst W. Löb 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 daran weitergearbeitet wird.

RIT werden mit Gitter-Durchmessern von 4 – 35 cm gebaut und getestet, was einem Schubbereich von 2 – 200 mN entspricht. Die ersten RIT, wie das RIT-10 mit einem Gitterdurchmesser von ca. 10 cm, werden für Quecksilber als Treibstoff ausgelegt, doch aus Gründen der Kontamination werden später alle Geräte auf Xenon umgestellt.

Im Juli 2001 startet die ESA den europäisch-japanischen geostationären Kommunikationssatelliten ARETEMIS, auf dem testweise zwei neue Ionentriebwerkstype installiert sind, die sich in ihrer Produktionsweise der Xenon-Ionen unterscheiden. Dies ist 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 zur Verfügung stehende 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 - 6.000 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.

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 stäßt einen Strahl mit einer Geschwindigkeit 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 die aktuellen Systeme 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 2009 und 2010 Tests unterzogen, ein späterer Thruster wird in der Wombat XL genannten Raum-Simulationsanlage am Space Plasma Power and Propulsion Laboratory der ANU untersucht.

Im Juni 2012 folgen Berichte, denen zufolge der HDLT zwischenzeitlich in der Lage ist, praktisch jede Art von Treibmittel zu verwenden, einschließlich menschlichen Urins. Die Weiterentwicklung des neuen Plasma-Antriebs erfolgt durch Forscher der ANU, die mit Kollegen der Firma EADS-Astrium und dem Surrey Space Center zusammenarbeiten. Sie werden dabei durch einem Zuschuß aus dem Ministerium für Industrie, Innovation, Wissenschaft, Forschung und Tertiäre Bildung in Höhe von 3,1 Mio. AU-$ finanziert.

Boswell zufolge gibt es auf der Internationalen Raumstation ISS ein System, das Wasser aus dem Urin extrahiert und als ,russischer Pisse-Presser’ bekannt ist. Dessen Ergebnis mit einem pH-Wert um eins könne man gut nutzen. Zudem sei das HDLT-Triebwerk extrem sparsam. Die Entwicklung des Testmodells als auch des endgültigen Triebwerk-Prototyps soll voraussichtlich bis 2013 abgeschlossen sein, und bis Ende 2014 ist geplant, das Triebwerk zu verwenden, um einen ersten Testflug mit einem Satelliten durchzuführen.

Im Januar 2008 erhält das Raumfahrt-Unternehmen EADS Astrium in Friedrichshafen den Projektauftrag der ESA für die Entwicklung und den Bau einer Sonde namens BepiColombo, die im Rahmen einer Kooperation zwischen der ESA und der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA eigentlich 2013 zum Merkur starten sollte. Das Auftragsvolumen beträgt 350,9 Mio. €. Die Gesamtkosten inklusive Start und Betrieb bis 2020 werden auf 665 Mio. € geschätzt.

Den solarbetriebenen 5 kW Ionen-Antrieb namens T6, von dem die Sonde vier redundante Exemplare an Bord hat, stellt das britische Rüstungs- und Forschungsunternehmen QinetiQ her, das vom Auftraggeber Astrium dafür 23 Mio. £ erhält. Für den Betrieb der Ionentriebwerke und der übrigen Komponenten verfügt die Sonde über 42 m² Solarmodule mit einer Leistung von etwa 15 kW.

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 28 cm durchmessenden 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, und später auf Januar oder Februar 2017 verschoben. Aktuell ist der Start der auf sieben Jahre veranschlagten Mission für den Oktober 2018 geplant.

Tatsächlich kann im Oktober gemeldet werden, daß die europäisch-japanische Raumfahrtmission endlich gestartet sei. Im Dezember werden die Ionen-Triebwerke der 6,4 m hohen und etwa 4,1 Tonnen schweren Raumsonde BepiColombo erstmals gezündet, die den Merkur im November 2025 erreichen soll.

BepiColombo trägt zwei Satelliten, den europäischen Mercury Planetary Orbiter (MPO) und den japanischen Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO). Beide werden den Merkur auf unterschiedlichen Umlaufbahnen erkunden. Die MPO soll auf einer niedrigen Umlaufbahn, die über die Pole führt, die Oberfläche kartographieren und die innere Zusammensetzung des Planeten erforschen, während die MMO Merkurs Magnetfeld und dessen Wechselwirkung mit dem Sonnenwind untersuchen wird.

Im September 2026 trennt sich das Transportmodul (Mercury Transfer Module, MTM) erfolgreich von den beiden wissenschaftlichen Orbitern, womit die letzte Phase des Brems- und Einfangmanövers eingeleitet wird. Das endgültige Einschwenken in die Merkur-Umlaufbahn ist für den November geplant, die Trennung des MPO vom MMO dann im Dezember.

Im März 2009 startet der ESA-Satellit GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) im Rahmen der Mission Earth Explorer, der die Aufgabe hat, aus einer Höhe von rund 250 km das Schwerefeld der Erde mit höchster Präzision zu kartieren und das bislang genaueste Modell des ,Geoids’ zu erstellen, der idealen Meeresoberfläche.

Der Satellit wird hier erwähnt, weil er mit einem elektrischen Ionenantrieb ausgestattet ist, der dem atmosphärischen Widerstand entgegen wirkt und mit Xenon arbeitet. Außerdem verfügt GOCE über ein pfeilförmiges, aerodynamisches Design zur Verringerung des Luftwiderstands, da er sich auf der für einen Erdbeobachtungssatelliten bisher niedrigsten Umlaufbahn befindet, um die bestmöglichen Meßdaten zu erstellen.

Die Treibstoffreserven von 40 kg Xenon gehen nach vier Jahren jedoch zur Neige, und im November 2013 verglüht der ca. 5 m lange und etwa 1.050 kg schwere Satellit in der Erdatmosphäre.

Ein besonderes Ereignis geschieht im Juni 2010. Die o.e. Asteroidensonde Hayabusa der japanischen Raumfahrtagentur JAXA war im Mai 2003 zum Asteroiden Itokawa (25143) 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 vom Juni 2005 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 zurückbringt.

Die im Dezember 2014 gestartete Nachfolgemission Hayabusa 2 erforscht den Asteroiden Ryugu (162173), liefert im Dezember 2020 Proben zur Erde und absolviert im Juli 2026 einen engen Vorbeiflug am Kleinasteroiden Torifune (98943). Nächstes Ziel im Jahr 2031 ist der Asteroid 1998 KY26, ein kleines, klumpiges, erdnahes Objekt, das etwa eine Million Liter Wasser enthalten soll. Auch diese Probenrückführmissionssonde, die vier kleine Rover an Bord hat, ist mit einem Ionenantrieb ausgestattet.

Im Oktober 2026 wird allerdings berichtet, daß Mitte August auch das letzte verbliebene Ionentriebwerk von Hayabusa2 ausgefallen sei, was die Möglichkeit bedroht, das nächste Ziel zu erreichen. Das Raumfahrzeug ist mit vier Xenon-Ionentriebwerken mit Mikrowellenentladung ausgestattet, die als A, B, C und D bezeichnet werden. Drei der Triebwerke, A, C und D, hatten sich im Laufe der Jahre bereits verschlechtert oder sind ausgefallen, und nun versagt auch die Ionenquelle von Triebwerk B.

Während die Triebwerke C und D ihren Neutralisator verloren haben, sind ihre Ionenquellen noch funktionsfähig. Die JAXA-Ingenieure versuchen daher, die Schaltkreise neu zu verdrahten, um den noch funktionierenden Neutralisator von Triebwerk B mit der gesunden Ionenquelle von Triebwerk D zu verbinden. Sollte die Reparatur des Triebwerks erfolgreich sein, könnte das Triebwerk bereits Ende Oktober wieder in Betrieb genommen werden.

 

Weiter mit den alternativen Antrieben in der Raumfahrt...