IKAROS mit neuartiger Steuerung

Für die Sonde IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun), welche den Impuls auftreffender Photonen von der Sonne zum Antrieb nutzen soll, hat man sich einige neue Techniken einfallen lassen.

Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: JAXA, Raumcon. Vertont von Peter Rittinger.

IKAROS ist gemeinsam mit 3 kleinen Erdsatelliten und zwei Raumsonden am 21. Mai 2010 vom japanischen Raumfahrtzentrum Tanegashima aus ins All gestartet, Trägerrakte war eine H2-A. Ein Signal des kleinen Demonstrators für ein mit Solarzellen bestücktes Sonnensegel wurde bereits von der Usuda Deep Space Station empfangen. Demnach wird die Sonde über die Solarzellen des Zentralkörpers mit Energie versorgt und ist soweit funktionsfähig. Bei der Aktivierung weiterer Systeme will man nun mit Bedacht vorgehen.

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In Phase 2 entfaltet sich das Segel bei sinkender Rotationsrate. (Bild: JAXA)

Die Entfaltung des 173 m² großen Sonnensegels geschieht in mehreren Phasen. Zunächst rotiert die Sonde aus Stabilitätsgründen mit 5 Umdrehungen pro Minute. Diese Rate wird auf 2 herabgesetzt. Dann sollen die Startsicherungen für 4 an den Spitzen des zusammengefalteten Segels befestigte Massestücke gelöst werden. Aufgrund der Fliehkraft werden diese dann ein Stück aus dem Zentralkörper herausgezogen. Wenn sich die Bahnen der Massestücke stabilisiert haben, wird die Rotationsgeschwindigkeit des Zentralkörpers durch kleine Düsen auf maximal 20 Umdrehungen pro Minute erhöht. Ein zugehöriger Abrollmechanismus ermöglicht das kontrollierte Herausziehen des zu vier Bändern gefalteten Segels. Damit ist Phase 1 abgeschlossen.

Durch eine Verringerung der Rotationsrate auf zunächst 2 Umdrehungen pro Minute kann sich dann das aus zwei verschiedenen, etwa 8 Mikrometer starken Polyamiden bestehende Segel auf seine volle Fläche entfalten. In der Mitte bleibt ein quadratisches Loch mit 3,20 m Seitenlänge, in dem der Zentralkörper der Sonde an Drähten befestigt ist. Er trägt Steuerung, Lageregelung, den Hauptteil der Energieversorgung sowie Kommunikationsanlagen. Polyamid 2 bildet den inneren Streifen und ist 2,24 m breit. Der gesamte äußere Teil bis zu 13,56 m Seitenlänge (20 m Diagonale) besteht aus Polyamid 1 und trägt auch die Dünnfilm-Solarzellen, schaltbare Reflektoren und Staubsensoren. Die Folien haben zusammen nur eine Masse von knapp 2 Kilogramm.

Wenn das Entfalten geklappt hat, soll eine kleine Kamerasonde aus dem Zentralkörper herauskatapultiert werden, Bilder anfertigen und zur Hauptsonde übermitteln. Außerdem wird die Rotation auf eine Umdrehung pro Minute gebremst. Dies soll das Segel dauerhaft straff halten.

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Die blauen Rechtecke auf der Oberfläche sind Dünnfilmsolarzellen, die gelben schaltbare Reflektoren. Das Segel besteht aus 4 miteinander verbundenen Trapezen. Die Verbindungskabel sind bis zum Hauptkörper der Sonde durchgezogen und werden durch vier Massestücke gestrafft.
(Bild: JAXA)

Eine Antriebwirkung entsteht nun, wenn von der Sonne kommende Photonen (Lichtquanten) vom Segel reflektiert werden. Erfolgt die Reflexion senkrecht, so ist die Wirkung maximal, dennoch kaum messbar. Sie beträgt im Idealfall, also hundertprozentiger Reflexion in die Einfallsrichtung, knapp 1,6 mN (Millinewton). Dies entspricht etwa dem Gewicht einer Briefmarke auf der Erde.

In der Nähe der äußeren Kante des Sonnensegels befinden sich mehrere schaltbare Dünnschicht-Reflektoren. Sie reflektieren das auftreffende Licht im Normalfall diffus, also in verschiedene Richtungen. Legt man hingegen eine Spannung an, so reflektieren sie weitgehend ideal. Schaltet man die Reflektoren auf einem Viertel für jeweils 15 Sekunden von diffus auf ideal, so wirkt hier ein geringfügig größerer Strahlungsdruck als auf den anderen Vierteln. Damit erreicht man ein gewisses Drehmoment quer zur Flugrichtung, mit dem Segel und Sonde ausgerichtet werden sollen. Allerdings sind nicht einmal 10% der Fläche mit diesen Reflektoren ausgestattet. Etwa 5% tragen Dünnfilmsolarzellen aus Silizium und können im Idealfall um 500 W elektrischer Leistung aus dem Sonnenlicht gewinnen.

Beide Technolgien sind höchst experimentell. Man betrachtet die Mission bereits als erfolgreich, wenn sich das Segel entfaltet und die Dünnfilmsolarzellen elektrische Energie liefern. Wenn auch noch die ausgeklügelte Steuerung klappt, soll das ganze eine Nummer vergrößert werden und noch in diesem Jahrzehnt eine Sonde zum Jupiter beschleunigen. Dabei könnte eventuell auch ein Lander auf einem Jupitermond abgesetzt werden. Außerdem sollen die Trojanischen Asteroiden in der Nähe des Jupiters angesteuert werden. Die auf dem Sonnensegel aufgebrachten Solarzellen könnten dann Energie für ein neues Ionenantriebssystem liefern, dass etwa dreimal effizienter sein soll, als bisher eingesetzte derartige Triebwerke.

Raumcon:

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