Warning: Cannot modify header information - headers already sent by (output started at /webhome/lexikon.astroinfo.org/html/satelliten/ionen/index.html:2) in /webhome/astroinfo.org/html/php/headershort.php on line 59 Ionenantrieb, elektrische Triebwerke
Ionenantrieb, die Zukunft interplanetarer bis interstellarer Raumfahrt?
In diesen Tagen endet die europäische Mission SMART. Der Mondsatellit wurde mit Ionenantrieb zum Mond und in eine Umlaufbahn um den Mond gebracht. SMART ist nicht die einzige Raumsonde, die von dieser Antriebsart Gebrauch macht. Was ist der Ionenantrieb und worin liegt sein Potential für die Raumfahrt der Zukunft?
Jedes frei im Weltraum schwebende Raumschiff kann seine Geschwindigkeit aktiv nur ändern, indem es einen Teil seiner Masse (den Treibstoff) von sich wegstösst. Die vom Raumschiff auf den Treibstoff ausgeübte Kraft wirkt nach Newtons Prinzip (Actio = Reactio) gegengleich auf das Raumschiff und beschleunigt es. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass es auch passive Arten gibt, die Geschwindigkeit zu ändern. Dies geht jedoch nur bei der Anwesenheit grosser Kraftfelder, wie das Schwerkraftfeld eines Planeten oder ein Magnetfeld. Ersteres hält einen Satelliten auf einer Kreisbahn oder kann bei einem nahen Vorbeiflug einer Raumsonde an einem Planeten deren Geschwindigkeit im Sonnensystem erheblich ändern (Swing-By). Doch kommt man nie darum herum, dass eine Raumsonde oder ein Satellit in der Lage sein muss aktiv seine Flugrichtung und Fluggeschwindigkeit ändern zu können.
Das klassische chemische Triebwerk, die Rakete wie man sie sich vorstellt, erhitzt durch Verbrennung ein Gas in einer Brennkammer. Die unter hohem Druck stehenden Verbrennungsgase können die Brennkammer nur in einer Richtung durch eine Düse verlassen. Dies tun sie mit hoher Geschwindigkeit, bis über 4 Kilometer pro Sekunde, wenn Sauerstoff und Wasserstoff verbrannt werden. Die Kraft die dabei auf das Raumschiff wirkt ist gross, jedoch geht typischerweise der Brennstoff nach ein paar Minuten zur Neige. Im Grundsatz gilt, je höher die Geschwindigkeit der Gase ist, desto lohnender ist der Treibstoff pro Kilogramm Masse.
Man könnte nun auf die Idee kommen, dass es auch andere Möglichkeiten gibt etwas mit hoher Geschwindigkeit aus dem Raumschiff zu katapultieren. In alten Röhrenbildschirmen wurden beispielsweise Elektronen elektrisch auf hohe Geschwindigkeit gebracht um vorne auf den Bildschirm zu schiessen. So wurde das Fernsehbild gezeichnet. Bei der Beschleunigung dieser Elektronen wirken Kräfte, die den Fernseher beschleunigen würden, wäre er ohne Mattscheibe im Weltraum.
Die technische Weiterentwicklung dieser Grundidee heisst Ionenantrieb oder elektrischer Antrieb. Die Atome des Treibstoffs werden elektrisch geladen (ionisiert), in dem man sie eines ihrer Elektronen beraubt. Dann werden sie und die Elektronen getrennt in einem elektrischen Feld auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt und ausgestossen. Der Treibstoff kann hier viel besser ausgenützt werden als beim chemischen Antrieb. Die Energie für die Beschleunigung muss jedoch ein Kraftwerk an Bord des Raumschiffs aufbringen (Solarzellen, Atomkraftwerk), ein chemisches Triebwerk bezieht seine Energie aus der chemischen Verbrennungsreaktion.
Man benötigt ein Mass um verschiedene Antriebsarten vergleichen zu können. Dazu wird der spezifische Impuls verwendet. Unter dem Impuls p eines sich mit der Geschwindigkeit v bewegenden Gegenstandes der Masse m versteht man seine Masse mal seine Geschwindigkeit also p = m·v. Einheit [p] = kg·m/s = N·s (sprich Newton Sekunden) . Der spezifische Impuls I eines Antriebssystems ist die Änderung des Impulses pro Masseneinheit seines Treibstoffs. Einheit [I] = N·s/kg = m/s. Ein spezifischer Impuls von 10 N·s/kg bedeutet, dass ein Kilogramm Treibstoff dieses Antriebsystems einen Schub (Kraft) von zehn Newton eine Sekunde lang, oder ein Newton 10 Sekunden lang, oder 0.1 Newton hundert Sekunden lang aufrecht erhalten kann.
Hinweis: In den USA wird der spezifische Impuls auf die Erdbeschleunigung g = 9.81 m/s bezogen angegeben. D.h. der hier angegebene spezifische Impuls durch 9.81 geteilt. Man erhält dann formal die Masseinheit Sekunden. Dies kann als Zeit verstanden werden, die die ursprüngliche Treibstoffmasse in der Schwebe gehalten werden könnte. Da Ionenantriebe nie so grosse Kräfte entwickeln, die ein Raumschiff an der Erdoberfläche schweben oder gar abheben lassen können, bringt uns das amerikanische Mass nicht weiter.
Ist die Masse des Treibstoffs klein im Vergleich zur Masse des Raumschiffs, kann die erreichbare Geschwindigkeitsänderung mit Hilfe des spezifischen Impulses abgeschätzt werden, da der auf das Raumschiff übertragene Impuls spezifischer Impuls mal Raumschiffmasse beträgt.
Die Endgeschwindigkeit VE beträgt dann VE = I·M, wobei M die Raumschiffmasse ist. Dies lässt sich beispielsweise für Lagekorrekturtriebwerke anwenden. Bei Trägerraketen ist das umgekehrte der Fall, der Treibstoff ist der Hauptanteil von M.
Die Überlegung mit dem Impulsübertrag auf das Raumschiff hat folgendes Detailproblem. Während das Triebwerk läuft verlässt dauernd Treibstoff das Raumschiff und es wird leichter, und damit bei gleichem Impuls schneller sein. Als zusätzliche Rechenschwierigkeit wird ein Teil des Treibstoffs mit beschleunigt bis er verbraucht wird. Wenn man all dies berücksichtigt führt dies zur sogenannten Raketengleichung. Für grundsätzliche Abschätzungen ist jedoch nur ein Teilergebnis der Raketengleichung hier bedeutsam, die erreichte Endgeschwindigkeit, wenn aller Treibstoff aufgebraucht ist. Wenn Anfangsmasse (vollgetanktes Raumschiff) MA, die Masse des Raumschiffs mit leerem Tank ME und die Geschwindigkeit der Gase bei verlassen des Antriebs VA ist, so ist die erreichte Endgeschwindigkeit VE = VA·ln(MA/ME).
Das Triebwerk der europäischen Mondsonde SMART-1 hat einen spezifischen Impuls von 4400 m/s, was „nur“ im Bereich des besten chemischen Treibstoffs Wasserstoff/Sauerstoff liegt. Allerdings wäre flüssiger Wasserstoff und Sauerstoff nicht lagerfähig, so dass bei SMART durch Verwendung von Xenon als ausgestossene Substanz doch ein Vorteil vorliegt. Der maximal realisierbare Schub ist wie bei allen Ionentriebwerke bescheiden, da nur wenig Gas auf einmal beschleunigt werden kann: 0.07 Newton. Das Triebwerk muss deshalb lange arbeiten, um das Raumschiff wesentlich zu bewegen. Die kommerzielle Anwendung findet sich heute in geostationären Nachrichtensatelliten. Diese müssen aufgrund der Störungen ihrer Bahn durch Sonne und Monde die Bahn laufend korrigieren. Die auf ein Jahr aufgerechnete Geschwindigkeitsänderung kann durchaus 50 Meter pro Sekunde (180 km/h) erreichen. Ein kleiner Ionenantrieb kann hier die Lebensdauer des für viel Geld in die Umlaufbahn geschossenen Satelliten wesentlich verlängern.
Im interplanetaren Raum war die Sonde Deep-Space-1 der Pionier für elektrische Antriebe. Die Sonde startete am 24. Oktober 1998. Der wissenschaftliche Höhepunkt war der Vorbeiflug am Kern des Kometen Borrelly. Der spezifische Impuls des Triebwerks liegt mit 30'000 m/s nun wesentlich höher als bei allen chemischen Triebwerken. Auch hier ist der Schub mit 0.092 Newton bescheiden. Das Triebwerk muss deshalb anderthalb Jahre arbeiten (14'000 Stunden). Bei interplanetaren Flügen ist dies kein Problem, da sie wegen der grossen Distanzen immer Monate bis Jahre dauern.
Technische Daten des Deep-Space-1-Triebwerks:
Treibstoffmasse Xenon (superkritisch bei 70 bar)
81.5 kg
Maximal verfügbare elektr. Bordleistung
2.5 kW
Ausstossgeschwindigkeit (VA)
30 km/s
Spezifischer Impuls
3100 s, bzw. 30'000 m/s
Massendurchsatz
3 Milligramm pro Sekunde
Schub
0.092 N
Erwartete Geschwindigkeitsänderung, 15 Monate
3.6 km/s
Brutto-Anfangsmasse der Raumsonde (MA)
485 kg
Anteil Solarzellen
58 kg
Masse mit leerem Tank (ME)
403.5 kg
Die relativ hohe elektrische Leistung der Sonde wird durch spezielle Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 22 Prozent erreicht. Dies erreicht man durch Vorschaltung einer Fresnel-Flachlinse vor die Solarzellen, was den hohen Wirkungsgrad allerdings durch enorme Anforderungen an die Richtgenauigkeit zur Sonne erkauft. Bei 8 Vollmonddurchmessern Abweichung gehen bereits 80 Prozent der nutzbaren Solarleistung verloren, während es bei herkömmlichen Solarzellen erst 0.3 Prozent sind. Nach mehreren Monaten Betrieb stand fest, dass die vorhergesagte Leistung und deren Drift bis auf ein Prozent mit den vorherberechneten Werten übereinstimmte. Hätte man dieselbe für interplanetare Missionen typische Geschwindigkeitsänderung VE mit einem chemischen Triebwerk erreichen wollen (VA = 3000 m/s), so hätte MA = 1340 Kilogramm sein müssen, die Trägerrakete hätte also eine mehr als drei mal schwerere Sonde in den Weltraum hieven müssen. Die Mission wäre erheblich teurer geworden.
Grosse Zukunft
Der Hauptnutzen für Raumsonden zu den Planeten liegt vorerst in einer Gewichtsersparnis, die vor allem die Mission billiger macht. Zur Zeit ist es noch Ermessensache der Missionsplanung, ob man auf bewährte chemische Antriebe setzt oder auf die neue elektrische Antriebsart. Auch die Energiequelle, die Solarzellen, beschränken die Mission bis maximal hinaus zu Jupiter, jenseits von Jupiter liefern Solarzellen zu wenig Energie, selbst wenn man ein Wirkungsgrad von knapp 30% annimmt (Spezialzellen, wo Geld keine Rolle spielt). Dennoch sind hier viele Missionen möglich, beispielsweise wird die zunächst abgesagte und in letzter Sekunde gerettete Mission Dawn mehrere Asteroiden besuchen und dort auch eine Weile in der Umlaufbahn bleiben, also nicht nur vorbeifliegen.
Eine grosse Anwendung der Zukunft könnte die bemannte Marslandung sein. Da für eine bemannte Mission der Materialbedarf ungleich höher ist, als bei einer Robotermission könnte hier der elektrische Antrieb seinen Vorteil von viel geringerem Treibstoffgewicht bei gleicher Geschwindigkeitsänderung ausspielen. Allerdings gibt es da auch Probleme. Die Solarzellen erreichen ein riesiges Ausmass, besonders da sie neben dem Antrieb auch die Lebenserhaltungssystem mit Energie versorgen müssen. In einigen Szenarien werden daher die Solarzellen durch einen Kernreaktor ersetzt, der jedoch auf sehr wenig Akzeptanz in der Öffentlichkeit stossen würde. Wenn in niedrigen Erdorbit mit dem Raumschiff gestartet würde, dann müsste man sich zuerst im Laufe vieler Wochen bis Monate in eine hohe Erdumlaufbahn hochschrauben. Eine nicht akzeptabel lange Verweilzeit der Crew im Strahlungsgürtel der Erde wäre die Folge. Für unbemannte Frachtflüge wäre dies jedoch kein Problem. Die ESA setzt deshalb in ihren Studien zur bemannten Marslandung auf konventionelle chemische Antriebe. Vielleicht wird die tatsächliche Mission ein Hybrid aus chemischem Antrieb (um die Erdanziehung rasch zu verlassen) und Ionenantrieb sein.
In einer Weiterentwicklung durch den australischen Physiker Dr. Orson Sutherland von der nationalen Universität in Canberra im Auftrag der ESA wurde bei einem zweistufigen Prototyp eine Verzehnfachung der Austrittsgeschwindigkeit (d.h. bis 200 km/s) erreicht. Dieses Prinzip verspricht in der Zukunft einen breiteren Einsatz des Ionentriebwerkes, da nun der Treibstoffanteil an der gesamten Raumschiffmasse fast vernachlässigbar würde. Um das Problem des Strahlungsgürtels zu umgehen, könnte vielleicht die Mannschaft mit einer leichten schnellen Kapsel das grosse Transferraumschiff erreichen und andocken, wenn es bereits den Strahlungsgürtel verlassen hat.
Mit einem kleinen Kraftwerk an Bord kann eine Raumsonde mit elektrischen Antrieben bisher unrealisierbar geglaubte Geschwindigkeiten erreichen. Wenn man 200 km/s als Ausstossgeschwindigkeit der Zukunft annimmt, dann könne man mit 90% Treibstoffmasse nach Formel (2) und einigen Jahren Beschleunigung, die Geschwindigkeit von 440 km/s (1'580'000 km/h) erreichen. Die Strecke Sonne-Erde würde bei dieser Geschwindigkeit in vier Tagen zurückgelegt, die Strecke zu unserer Nachbarsonne Alpha Centauri jedoch in 3000 Jahren. Die endliche Lebenserwartung des Menschen ist das grosse Problem der Reise zu den fernen Sonnensystemen. Während der bemannte Marsflug nur eine Frage des Aufwandes ist, stösst man bei der Reise zu Zielen jenseits unseres Planetensysteme an schwerwiegende technische Grenzen.
Man könnte nun argumentieren, dass die 200 Kilometer pro Sekunde noch lange nicht das Ende der technischen Entwicklung sei und in der Zukunft durch bedeutend höhere Ausstossgeschwindigkeiten ersetzt werden könnten, beispielsweise durch Kernfusion, direkt in der Antriebsdüse. Dies wurde durchgerechnet unter dem Projektnamen Daedalus. Doch auch mit 20'000 km/s Ausstossgeschwindigkeit VA von Daedalus löst man das Problem der endlichen Geduld der Menschen nur knapp und auch nur für eine unbemannte Sonde, die am Ziel nicht gebremst wird.
Was wäre, wenn nun die Partikel mit Lichtgeschwindigkeit ausgestossen würden, die grösste mögliche Geschwindigkeit? Solche Partikel gibt es, sie heissen Photonen, Lichtteilchen. Nehmen wir an, ein Raumschiff von 10 Tonnen Gesamtgewicht habe ein Nuklearkraftwerk mit einem Megawatt Leistung. Damit würden bei einem (sehr optimistischen) Wirkungsgrad von 100% Laser betrieben, die unsere Photonen wie ein Triebwerk in das Weltall schiessen. Jedes Lichtteilchen (Photon) hat einen Impuls. Der Gesamtimpuls ist unabhängig von der Wellenlänge und hängt nur von der in den Laser gesteckten Energie ab. Seien wir noch etwas utopischer und nehmen wir nicht Uran als Energieträger sondern gleich 2.5 Tonnen Antimaterie. Das Raumschiff würde also mit einem Gewicht von 10 Tonnen starten und am Schluss noch fünf Tonnen wiegen.
So würde man eine Endgeschwindigkeit von 300'000 km/s ·ln(10 Tonnen/5 Tonnen ) = 200'000 km/s erreichen (man müsste eine relativistische Raketengleichung verwenden. Wir sind hier jedoch nicht an genauen Zahlenwerten interessiert). Das klingt vielversprechend, die Reise zu unserem Nachbarsonnensystem würde auf unter ein Jahrzehnt sinken. Doch die Ernüchterung kommt, wenn wir die Kraft ausrechnen, die unsere Laser auf das Raumschiff ausüben. Der Impuls, der pro Sekunde übertragen wird, beträgt nur 1 Megawatt / Lichtgeschwindigkeit = 0.0033 Newton (übertragener Impuls pro Sekunde ist eine Kraft). Wenn wir das mit den Zahlen von Deep-Space-1 vergleichen, so ist die Beschleunigung noch viel kleiner als beim elektrischen Antrieb (schwereres Raumschiff geringere Kraft) und macht diese Methode für interplanetare Flüge uninteressant (abgesehen von einer Variante, dem Sonnensegel). Man wird es als Erbauer einmal mehr nicht erleben, dass das Raumschiff ein fernes Sonnensystem erreichen.
Elektrische Antriebe werden im Laufe des 21. Jahrhunderts zum Standard in der Raumfahrt von Planet zu Planet. Der Start von der Planetenoberfläche in eine Umlaufbahn wird jedoch den heute schon verwendeten chemischen Raketen vorbehalten sein. Ob die bemannte Marslandung eines Tages von dieser Antriebsart Gebrauch machen wird bleibt abzuwarten.
