Quelle: ZARM 17. April 2024.

17. April 2024 – Mehr als ein halbes Jahrhundert nach den ersten Schritten der Menschheit auf dem Mond treten wir in eine neue Phase von Weltraummissionen ein, einschließlich der Rückkehr zum Mond und der Reise zum Mars. Um dies zu erreichen, ist ein Umdenken bei den Antriebssystemen erforderlich. Unter Beteiligung des ZARM ist ein Übersichtsartikel in der Fachzeitschrift Nature Portfolio Journals „Microgravity“ erschienen, in der kryogene Flüssigkeiten, insbesondere flüssiger Wasserstoff und Methan in Verbindung mit flüssigem Sauerstoff, als die effektivsten und vielversprechendsten Treibstoffe für diese Raumfahrtmissionen angesehen werden. Bisher machen die Treibstoffe noch den größten Teil der Transportmasse eines Raumfahrzeugs aus, sodass die Neubetankung im Weltraum von entscheidender Bedeutung ist, um die Reichweite von Weltraummissionen zu verlängern. Die Arbeit ist das Ergebnis der Zusammenarbeit von Forschenden in einem Topical Team der Europäischen Weltraumagentur (ESA) und widmet sich den physikalischen Grundlagen der Handhabung von Treibstoffen. Sie wird als Basis für zukünftige Untersuchungen und Experimente dienen, wie z.B. einem Experiment mit flüssigem Wasserstoff auf einer Forschungsrakete.

Die kryogene Herausforderung
Kryogene Treibstoffe wie Methan oder Wasserstoff werden bei extrem niedrigen Temperaturen flüssig. Die überaus komplizierte Handhabung dieser Medien im Weltraum stellt eine erhebliche wissenschaftliche und technologische Hürde dar. Der Artikel befasst sich mit den wesentlichen Voraussetzungen für die Handhabung kryogener Treibstoffe, einschließlich Konditionierung, Lagerung, Kontrolle und Transfer. Die Arbeit zielt außerdem darauf ab, Lücken in unserem physikalischen Verständnis aufzuzeigen, die geschlossen werden müssen, um zukünftige Explorationsmissionen zu ermöglichen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist interdisziplinäre Forschung auf den Gebieten der Thermodynamik, Fluiddynamik und Strukturmechanik erforderlich.

Sprungbrett in den Weltraum
Für die Verlängerung der Reichweite und Dauer von Weltraummissionen ist die Betankung von Raumfahrzeugen außerhalb unserer Umlaufbahn essentiell. ZARM Direktor Marc Avila ist Co-Autor des Artikels und unterstreicht die Relevanz von Tankstellen im Weltall: „Die Möglichkeit Raumfahrzeuge aufzutanken, nachdem sie das Schwerfeld der Erde überwunden haben und auf der Strecke bereits den größten Teil ihres Treibstoffes verbraucht haben, ist eine notwendige Voraussetzung, um den Mars zu erreichen. Um aber tatsächlich eine Weltraumtankstelle in die Realität umzusetzen, brauchen wir Strategien, die wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt vereinen.“

Artikel in Microgravity:
www.nature.com/articles/s41526-024-00377-5
pdf: https://www.nature.com/articles/s41526-024-00377-5.pdf

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• Fallturm Bremen (ZARM)

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Ein Beitrag von Hans Lammersen. Quelle: Space.com, NASA.

Dabei ist zu beachten, dass die Öffnung unter irdischen Schwereverhältnissen stattfand, also unter schwierigeren Bedingungen als im Weltraum. Der Sunjammer ist der bisher größte Sonnensegler, der in den Weltraum gebracht wird. Seine Größe liegt bei 1200 Quadratmetern, trotzdem wiegt er nur 32 Kilogramm. Das verwendete Material ist der Kunststoff Kapton mit einer Stärke von einem fünfmillionstel Meter. Dementsprechend vorsichtig mussten die Ingenieure beim Test sein. Der Segler transportiert bei seinem Flug eine Nutzlast von 80 Kilogramm mit einem Schub von 0,01 Newton etwa drei Millionen Kilometer in den Weltraum. Das Gerät soll dann an einem der Lagrangepunkte anhalten und dort Position beziehen. Die Steuerung erfolgt über äußere, kleinere Segel.

Der Sunjammer ist nicht der erste Sonnensegler, der ins Weltall gebracht wird. Bereits 2011 hat die NASA die Nanosail-D-Mission durchgeführt. Die Größe des Segels betrug bei dieser Mission nur etwas über neun Quadratmeter. Bereits 2010 brachten die Japaner die Sonde Ikaros ins All, die mit einem Segler mit einer Fläche von 173 Quadratmetern angetrieben wird.

Für Sonnensegler lassen sich aber noch weitere Anwendungsmöglichkeiten denken. So könnte man Satelliten damit ausrüsten, die das Sonnensegel am Ende ihrer Lebensdauer entfalten und damit ihre Geschwindigkeit so reduzieren, dass sie in der Atmosphäre zur Vermeidung von Weltraumschrott verglühen.

Sonnensegler (auch Solarsegler genannt, im Englischen: solar sail propulsion, kurz ssp) wie Sunjammer nutzen den Strahlungsdruck der Sonne um zu beschleunigen. Dieser ist allerdings sehr gering. Daher müssen die Flächen möglichst groß und die Gerate mögllichst leicht sein. Der Name „Sunjammer“ stammt von einer Kurzgeschichte des ScienceFiction-Autors Arthur Charles Clarke. Für Sonnensegler wie Sunjammer ist dies eine der ersten Reisen, für einen Teil der Fracht die letzte: An Bord ist auch die Asche des Filmemachers Gene Roddenberry (Star Trek, gestorben 1991) und seiner 2008 verstorbenen Frau.

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• Das Sunjammer Projekt
• Sonnensegel

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Ein Beitrag von Hans Lammersen. Quelle: University of Washington, Space.com, MSNW.

Die Entwicklung eines Nuklearantriebes ist auch ein Schwerpunkt des NIAC-Programmes der NASA NIAC steht für NASA Innovative Advanced Concept. Dieses Programm ist hervorgegangen aus dem 1997 von der NASA gegründeten Institute for Advanced Concepts, welches zukünftige Konzepte für die Luft- und Raumfahrt entwickeln sollte (das in der Öffentlichkeit bekannteste neue Konzept war der Weltraumlift). Dieses Institut wurde 2007 geschlossen, das Programm aber 2011 wieder aufgenommen, diesmal in Form von Fördergeldern, die an Firmen vergeben werden, die in diese Richtungen forschen.

Eine dieser Firmen ist MSNW, 1994 gegründet, deren Vorsitzender der Universitätsprofessor John Slough ist, einer der führenden Experten auf dem Gebiet der Fusionsantriebe. Mit Anthony Pancotti hat nun ein weiterer Vertreter dieser Firma Ende September einen Fusionsantrieb vorgestellt. Mit Hilfe dieses Antriebes könnte man die Flugzeiten nach den Worten Pancottis auf folgende Werte reduzieren: 83 Tage für den Hinflug, 30 Tage an der Oberfläche und 97 Tage für den Rückflug, so dass man auf insgesamt 210 Tage für die komplette Mission käme.

Dabei käme ein Fusionsantrieb zum Einsatz, bei dem ein Plasma aus Deuterium und Tritium in eine Kammer gespritzt wird. Dort legen sich durch Metallringe induzierte Magnetfelder um das Plasma, komprimieren es und bringen es so zur Fusion.

Die Wissenschaftler um Slough und Pancotti wiesen in ihrer Präsentation darauf hin, dass die Technik im Labor bereits beherrscht würde. Sie halten dieses Antriebssystem für das „simpelste, unkomplizierteste, preiswerteste Fusionsantriebskonzept, welches man sich vorstellen kann.“ (Pancotti).

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• Fusionsantrieb

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: Ad Astra, Raumcon, Wikipedia.

Der VASIMR genannte Antriebskomplex erzeugt mittels hochfrequenter elektromagnetischer Wellen ein Plasma, erhitzt dieses ebenfalls über Radiowellen auf mehrere Millionen Kelvin und hält es dabei durch Magnetfelder fern von den Wänden der Plasmakammern. Eine hohe Austrittsgeschwindigkeit und ein regelbarer Materialdurchfluss sorgen dabei für eine vielseitige Anwendbarkeit im Weltraum. So könnte eine kleine VASIMR-Version Satelliten auf Position halten, eine mittlere die Bahnabsenkung von Raumstationen durch die Bremswirkung der Restatmosphäre korrigieren und größere Komplexe Raumschiffe in wenigen Wochen zum Mars bringen.
VASIMR steht für Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket. Im Namen steckt die Funktion. In der ersten Kammer wird ein Trägergas, typischerweise Wasserstoff, Argon oder Neon, durch Bestrahlung mit Mikrowellen ionisiert und auf etwa 10.000 Kelvin erhitzt. Durch Magnetfelder, die mittels supraleitender Spulen unterschiedlicher Geometrie erzeugt werden, gibt man dem Plasma eine Bewegungsrichtung und hält es von den Wänden der Kammern fern. In der zweiten Kammer wird dem Plasma weiter durch elektromagnetische Wellen Energie zugeführt. Die Ionen werden dadurch auf Geschwindigkeiten beschleunigt, die einer Temperatur von mehreren Millionen Kelvin entspricht. Dadurch wächst ihr Impuls enorm. Dieser Impuls überträgt beim Verlassen des Triebwerks einen Rückstoß auf das Raumfahrzeug, der wesentlich höher ist als bei den heute verwendeten chemischen Antrieben. Außerdem kommt ein derartiger Antrieb mit wesentlich weniger Treibstoff aus und kann über längere Zeit kontinuierlich betrieben werden. Voraussetzung ist allerdings eine starke Energiequelle.

Der für den Weltraumeinsatz vorgesehene Antrieb VF-200 erfordert eine Leistung von 200 kW. Die einzige künstliche Energiequelle im Weltraum, die gegenwärtig eine annähernd ausreichende Energiemenge zur Verfügung stellen kann, ist die Internationale Raumstation. Die NASA strebt an, durch weitere Vereinbarungen mit anderen Firmen, den US-basierten Teil der ISS zu einem nationalen Forschungslabor deklarieren zu können. In den letzten Monaten war der Experimentalantrieb VX-200 bei Ad Astra in Costa Rica erfolgreich getestet worden.

VASIMR ist eine Entwicklung, die Dr. Franklin Chang-Diaz seit 1979 vorantreibt, zunächst im Schoße der NASA und seit 2005 im Rahmen der Firma Ad Astra, deren Präsident er ist. Weltweit werden mehrere Projekte vorangetrieben, bei denen ein Trägergas elektrisch oder elektromagnetisch ionisiert und beschleunigt wird. Kleine elektrische Antriebe wurden und werden bereits in verschiedenen Raumflugkörpern eingesetzt.

Raumcon:

• Ad-Astra-Thread

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Ein Beitrag von Andreas Tramposch. Quelle: Univ. Washington.

Das Zauberwort heißt magnetischer Strahlenplasma-Antrieb (kurz mag-beam genannt). Robert Winglee, ein Leiter des Projektes, sieht es als Tatsache an, dass schnelle Reise zu entfernten Teilen unseres Sonnensystems durch diese neue Antriebstechnologie Realität werden könnten. Jetzt würden die Astronauten unter Verwendung des bisherigen Antriebes zum Mars und zur Erde zurück ganze 2,5 Jahre benötigen. „Wir versuchen es in nur 90 Tagen zum Mars und zur Erde zurück zu schaffen,“ sagte Winglee. „Unsere Philosophie ist: Je länger die Reise dauert, desto niedriger die Chancen einer erfolgreichen Mission.“

Das Konzept des mag-beam-Antriebes besteht darin, dass das Raumfahrzeug über eine Raumstation mit einem Strahl magnetisierter Ionen (Plasmastrahl) versorgt wird. Mit der Intensität des Plasmastrahls steigt auch die Geschwindigkeit mit der das Raumfahrzeug durch das Sonnensystem reist. Winglee schätzt, dass eine Steuerdüse mit einem Durchmesser von 32 Metern auf der Raumstation einen Plasmastrahl erzeugen kann, der fähig wäre das Raumfahrzeug mit einer Geschwindigkeit von 11,7 Kilometer pro Sekunde anzutreiben. Das entspricht einer Distanz von 42.120 Kilometer in der Stunde oder über einer Million Kilometer am Tag. Der Planet Mars befindet sich durchschnittlich 77 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Die Entfernt hängt aber sehr stark von der Position der zwei Planeten auf ihrem Orbit um die Sonne ab. Bei dieser durchschnittlichen Entfernung würde ein Raumfahrzeug also 77 Tage zum Mars benötigen. Winglee arbeitet aber schon an Wegen noch höhere Geschwindigkeiten zu erreichen, um einen Trip zum Mars und der Erde zurück in nur drei Monaten zu verwirklichen. Bei so hohen Geschwindigkeiten wird aber eine weitere Plasma-Plattform am Ende der Reise benötigt, um eine Abbremsung des Raumfahrzeuges zu gewährleisten.

Eine mag-beam-Testmission könnte innerhalb der nächsten fünf Jahre verwirklicht werden, falls die finanzielle Unterstützung weiterhin aufrecht steht. Diese Projekt wird eines der Themen der sechsten jährlichen Hauptversammlung des NASA Advanced Concept Institutes (ACI) kommenden Mittwoch in Seattle sein. Winglee weiß, dass Investitionen von mehreren Milliarden Dollar notwendig sind, um solche Plasmastrahlen erzeugende Stationen innerhalb unseres Sonnensystems zu platzieren. Aber einmal platziert, würden diese Stationen selbsständig Plasmaenergie erzeugen.

Langfristig gesehen soll die Raumfahrt innerhalb unseres Sonnensystems um einiges kostengünstiger werden, da neben der dramatisch verkürzten Reisezeit auch der Transport des eigenen Treibstoffes entfällt. Die Raumfahrzeuge würden dann schnell durch einen starken Plasmaschub einer Station an Geschwindigkeit aufnehmen, mittels Höchstgeschwindigkeit zum Ziel reisen und dort dann mittels Plasmastrahl einer anderen Plasmastation abgebremst werden. Winglee sagte: „Das wird eine dynamische Präsenz der Menschheit im Weltall zu Folge haben. Und genau das ist es was wir versuchen zu erreichen.“

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Ein Beitrag von Roman Polak. Quelle: Spaceref.

Wissenschaftler von Los Alamos und „Northrop Grumman Space Technology“ haben einen neuen Antrieb für Raumsonden entwickelt. Der neue Thermoelektrische Generator, soll es Raumsonden ermöglichen, tiefer in das Weltall zu fliegen, als jemals zuvor.

Thermoelektrische Generatoren sind eigentlich nicht neu, sie wurden im 19. Jahrhundert von Robert Stirling erfunden und sind bei einigen heutigen Raumsonden im Einsatz. Auch das Prinzip ist dasselbe. Der Generator benutzt Wärme, um Storm zu erzeugen, die Wärme bekommt er von seinen radioaktiven Treibstoff. Dieser zerfällt mit der Zeit und erzeugt dadurch Wärme. Der einzige Unterschied besteht im Aussehen der Antriebe und genau das führt dazu, dass die heutigen Generatoren mehr als doppelt so effektiv sind wie die alten. Da es im Weltraum jedoch nicht einfach möglich ist, Schallwellen zu erzeugen bzw. zu empfangen, müssen die Schallwellen „künstlich“ hergestellt werden. Dazu wird zuerst Helium durch eine Art Auspuff geschickt, dieser besteht aus 322 Maschendrähten. Dieser Auspuff trägt den Namen „Regenerator“. Der „Regenerator“ ist mit der Wärmequelle und einem Kühlkörper verbunden. Durch die stetige Ab- und Zunahme der Temperatur, dehnt sich das Helium aus und zieht sich dann wieder zusammen. Durch diese Bewegung entstehen im dem Heliumgas Schallwellen. Diese treiben den Kolben eines Generators an, der dadurch wiederum Strom erzeugt. Dieser Strom ermöglicht dann die Fortbewegung. Aufgrund der wesentlich höheren Effizienz dieser Antriebe, hat die NASA beschlossen, sie möglichst früh einzusetzen und hat dazu ein Forschungslabor für die Entwicklung bzw. Weiterentwicklung dieser Generatoren gegründet. Schließlich ist das Potential dieser Antriebe noch lange nicht ausgereizt. Mit den neuen Antrieben ist es möglich, 18% der Wärme in Strom umzuwandeln, bei den heutigen Antrieben sind es lediglich 7%.

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Autor: Martin Ollrom und Felix Korsch und Gero Schmidt

Diese Antriebe werden seit längerer Zeit in Raumsonden zur Lageregelung eingesetzt, aber erst seit 1998 als Primärantrieb. Damals startete Deep Space 1 als die erste mit Ionenantrieb ausgestattete Raumsonde. Die Mission war ein voller Erfolg. Jedoch befinden sich viele Konzepte dieser noch recht jungen Technologie in Entwicklung. Europa zog im Jahre 2003 nach und stattete die Mondsonde SMART–1 mit einem Ionenantrieb aus.

Der Ionenstrahl besteht aus einem leicht ionisierbaren Gas. Hier sind zum Beispiel Ammoniak und Xenon geeignet. Das Gas wird beschleunigt und ausgestoßen. Dabei wird das Gas zunächst ionisiert. Dies geschieht meist durch ein „Elektronen-Bombardement“ oder mittels Berührung einer heißen Metalloberfläche. Das ionisierte Gas kann dann in einem elktrischen Feld beschleunigt werden (zwischen 30 und 200 Kilometer pro Sekunde). Die thermische Barriere der Ausstoßgeschwindigkeit der Partikel kann hier um das Vielfache überschritten werden, während sie beim chemischen Antrieb bereits erreicht ist. Die zur Ionisierung nötige Energie muss von Solarzellen oder von einem Kernreaktor zugeführt werden. Jedoch ist der Kernreaktor eine umstrittene Energiequelle, vor allem dann, wenn die Raumsonde, die ihn verwendet, einige Swing-By Manöver an der Erde vornehmen soll. Solarzellen oder sonstige Energiequellen wiegen meist mehr als der Antrieb selbst. Die Effektivität des Ionenantriebes hängt also zum großen Teil von der benutzten Energiequelle ab.

Umsetzung
Man unterscheidet beim Ionenantrieb zwischen sechs Arten:

• Elektrostatische Antriebe: Als Treibstoff wird hier ein Gas verwendet, das ein hohes Molekulargewicht hat, leicht verdampfbar und leicht ionisierbar ist. Alkalielemente wie Cäsium und Rubidium, Edelgase wie Xenon, Krypton sowie Quecksilber erfüllen diese Eigenschaften. Hier ist Xenon der absolute Favorit, weil es bereits gasförmig vorliegt. Das ionisierte Gas wird hier in einem elektrischen Feld beschleunigt. Hier wird ein Wirkungsgrad von 75 Prozent erreicht oder eine maximale Auströmungs-Geschwindigkeit von 40.000 Metern pro Sekunde.
• Elektrothermische Antriebe: Dieser Antrieb ist dem chemischen Antrieb am nächsten verwandt. Es findet keine Verbrennung statt, sondern der Brennstoff wird über einen Lichtbogen auf bis zu 20.000 Kelvin erhitzt. Auch hier erfolgt der Austritt über Düsen, ähnlich dem chemischen Antrieb. Die erreichbare Ausströmungs-Geschwindigkeit von 20.000 Metern pro Sekunde liegt hier um ein Vielfaches höher als bei chemischen Antrieben, bleibt aber in Vergleich zu anderen Elektrischen Antrieben deutlich zurück. Hier wird als Brennstoff sehr häufig Wasserstoff benutzt, da hier die höchsten Ausströmungs-Geschwindigkeiten erreichbar sind. Trotzdem bleibt der Wirkungsgrad mit maximal 20 Prozent relativ gering.
• Elektromagnetische Antriebe: Dieser Antrieb stellt die Weiterentwicklung des Elektrothermischen Antriebes dar. Allerdings wird das Plasma nicht über eine Düse herausgeleitet, sondern wird durch ein magnetisches Feld abermals beschleunigt. So lässt sich die Ausströmungs-Geschwindigkeit auf bis zu 70.000 Meter pro Sekunde steigern, der Wirkungsgrad wächst auf 50 Prozent.

Entwicklung
Der Ionenantrieb wurde in den 1990er Jahren erstmals als Haupttriebwerk auf Raumsonden eingesetzt, wie zum Beispiel Deep Space 1 und SMART-1. Erste Pläne eines Ionenantriebes gehen aber schon auf den US-Raketenpionier Robert Goddard zurück. Nach Herrn Goddard wurde schließlich auch das NASA Goddard Space Flight Center benannt. Nicht nur Goddard sondern auch Hermann Oberth und Wernher von Braun wird ein gewichtiger Teil der Ionenantrieb-Forschung zugeschrieben. Damals erkannte man allerdings, dass noch viele Basistechnologien zur bemannten Raumfahrt fehlten und so bekam die bemannte Raumfahrt erst höhere Priorität. Erste Tests wurden in den 70er Jahren durchgeführt, die unter der Regie des Militärs stattfanden. Der Erfolg war aber eher mäßig und der große Durchbruch gelang damals noch nicht. Das Cäsium und das Quecksilber, das verwendet wurde, griffen die Apparaturen zu stark an, so dass sie nicht wieder verwendbar waren. Nach der Umstellung auf Edelgase, wie zum Beispiel Xenon, konnte in dieser Beziehung eine deutliche Verbesserung vermeldet werden. In den 80er Jahren kam diese Technologie dann in Militärsatelliten zum Einsatz, in West wie Ost. Geostationäre Satelliten benutzen heute vorzugsweise diesen Antrieb, denn wegen kleinen Bahnkorrekturen braucht man keinen chemischen Antrieb. Neue Triebwerke die auf der alten Version des Ionenantriebes aufbauen, sind noch in Entwicklung wie zum Beispiel der:
RITA Antrieb, bei dem Radiofrequenzen zur Ionisierung verwendet werden und der so genannte
Kaufmann Antrieb, der eine Weiterentwicklung des Lichtbogentriebwerkes darstellt. Die NASA entwickelt unter dem Codenamen VASIMR einen neuen Plasma-Antrieb, der den Nachteil des Ionen-Antriebes, nämlich den geringen Schub, ausgleichen soll.

Ausblick

Die Perspektiven des Ioneantriebes sind gut. Die bisher entwickelten Antriebe können erst als Basis des Potenzials angesehen werden. In Zukunft werden viele Raumsonden mit diesem Antrieb ausgestattet sein, sobald das Handicap mit dem geringen Schub aus der Welt geschafft ist. Leider ist er nicht für alle Missionen geeignet, da er erst auf langen Distanzen sein Potenzial ausspielen kann und so ist die Mondsonde SMART 1 vielleicht nicht gerade die beste Prüfung für diesen Antrieb. Außerdem ist im äußeren Sonnensystem die Sonneneinstrahlung schon so gering, dass mit heutigen Solarpaneelen kaum genug Energie erzeugt werden kann. Der elektrische Antrieb hat sicher beste Aussichten, das Erbe des chemischen Antriebes anzutreten…

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• Deep Space 1
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Ein Beitrag von Martin Ollrom. Quelle: NASA.

Dass diese Mission kommt, stand schon im Vorhinein fest, es musste nur noch offiziell bestätigt werden. Nun ist es soweit! Die NASA hat das Design (das ebenfalls schon länger bekannt war) bestätigt und die Aufträge auf drei verschiedene Firmen verteilt.

Vom JIMO wird viel erwartet und zusätzlich hat er ein großes Programm abzuspulen. Zunächst wird er das Jupiter-System anfliegen, dort Jupiter, die Monde Callisto, Ganymed, Europa und Io untersuchen und sich dann ausschließlich dem Mond Europa widmen, auf dem sich angeblich ein Ozean unter der eisigen Oberfläche befinden soll. Noch dazu muss er das, was Galileo – die Jupiter-Mission, die über sechs Jahre lang den Gasriesen erforscht hat – geboten hat, ebenfalls bieten. Der Orbiter wird nicht wie sonst üblich einen chemischen Antrieb haben, sondern mit einem nuklearen Antrieb das Jupiter-System anfliegen.

Das hochrangige NASA-Mitglied Craig E. Steidle sagt, dass der Jupiter Ice Moon Orbiter ein Zeichen ist, dass andeutet, wie sehr wir nach einem erdähnlichen Planten beziehungsweise Mond suchen. Auch hier denkt man schon in ferne Zukunft. Denn bei einer Mars-Besiedelung soll das nächste Ziel eventuell der Jupiter-Mond sein, um dann von dort aus weiter zu gelangen. „Ich glaube wir haben eine gute Mischung aus Design und Geräten gefunden“, meint Steidle weiter.

Erst nächstes Jahrzehnt
Kaum zu glauben aber es ist wirklich wahr: Der JIMO soll erst im nächsten Jahrzehnt starten und zum Jupiter aufbrechen. Kaum vorstellbar das jetzt, sechs Jahre vor dem nächsten Jahrzehnt, bereits die Aufträge an Firmen vergeben werden. „Es ist nur ein Richtdatum, das nicht unbedingt zwingend der Starttermin sein muss. Wir können die Mission vorziehen oder auch verschieben“, sagt Steidle.

Auf jeden Fall ist der JIMO jetzt beschlossene Sache, so dass es eigentlich egal sein kann, wann er startet. Auf ihm ruhen große Hoffnungen und Erwartungen, zumal Galileo einiges vorgelegt hat und das schon mit heutiger Technik. Außerdem ist äußerste Vorsicht geboten. Denn wenn JIMO unabsichtlich auf de, Jupiter-Mond Europa abstürzt könnte er ihn mit irdischen Bakterien infizieren und so eine genaue Untersuchung unmöglich machen.

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Autor: Gero Schmidt.

Die Antwort liegt irgendwo dazwischen: Die Entwicklung von Ionentriebwerken lässt sich bis ins Jahr 1959 (oder sogar noch weiter) zurückverfolgen. Zwei Ionentriebwerke wurden 1964 auf dem amerikanischen Satelliten SERT1 getestet. Eines funktionierte, das andere nicht.

Das Prinzip, nach dem Ionentriebwerke funktionieren, ist altbekannte Physik. Ein Gas wird ionisiert, d.h. es wird elektrisch geladen: Man erhält positiv geladene Gasatome (Ionen) und negativ geladene Elektronen. Das ionisierte Gas wird in einem elektrischen Feld stark beschleunigt und verlässt das Triebwerk am hinteren Ende: Das bewirkt einen Schub in die entgegengesetzte Richtung.

Hohe Treibstoffeffizienz
Die ausschließlich im (Fast-)Vakuum des Weltraums eingesetzten Triebwerke stoßen ihren Treibstoff (das ionisierte Gas) mit weit höheren Geschwindigkeiten aus als chemische Raketentriebwerke. Das macht Ionentriebwerke ungemein effizient was den Treibstoffverbrauch angeht: Sie erzeugen mit einem Kilogramm Treibstoff zehnmal so viel Schub wie chemische Triebwerke.

Doch auch wenn das Verhältnis von erzeugtem Schub zu verbrauchtem Treibstoff sehr günstig ist, so ist der Schub an sich, den Ionentriebwerke erzeugen, doch äußerst gering: Astronauten könnten solche Triebwerke beispielsweise nie nutzen, um damit von einem Planeten zu starten. Allerdings wären sie für das Manövrieren und Beschleunigen im Weltraum sehr wohl geeignet, sofern die Astronauten es nicht eilig hätten. Warum? Es braucht eben auf Grund des geringen Schubs mit Ionentriebwerken eine sehr lange Zeit, um hohe Geschwindigkeiten zu erreichen.

Immer mit der Ruhe
Ionentriebwerke entfalten ihre ‚Magie‘ auf eine gemächliche Art und Weise. Die Ionen werden elektrostatisch beschleunigt. Wenn die Energie für diesen Beschleunigungsprozess von Solarpaneelen geliefert wird, spricht man von Solar Electric Propulsion (SEP) (= Solar-elektrischer Antrieb). Solarpaneele von der Größe wie sie typischerweise auf heutigen Raumfahrzeugen eingesetzt werden, erzeugen eine Leistung von einigen Kilowatt.

Ein solargetriebenes Ionentriebwerk könnte daher nicht mit dem großen Schub eines chemischen Raketentriebwerks konkurrieren. Dafür hat das Ionentriebwerk allerdings den Vorteil, dass es für Monate oder sogar Jahre betrieben werden kann, solange die Sonne scheint und der Treibstoffvorrat nicht erschöpft ist, während die Brenndauer eines chemischen Triebwerks im allgemeinen nicht mehr als ein paar Minuten beträgt.

Ein weiterer Vorteil, den ein geringer Schub mit sich bringt, ist die Möglichkeit, dass Raumfahrzeug sehr feinfühlig kontrollieren zu können, was sich insbesondere bei wissenschaftlichen Missionen, die eine hochpräzise Zielausrichtung benötigen, bezahlt macht.

Die Stellung der ESA sichern
Das Ionentriebwerk wurde das erste Mal zwischen 1998 und 2001 auf der Deep Space 1-Mission der NASA als Hauptantriebssystem getestet. Die SMART-1 Mission der ESA, deren Start für Ende August geplant ist, wird den Mond zum Ziel haben und die Einsatzfähigkeit von Technologien demonstrieren, die für zukünftige Missionen über große Distanzen benötigt werden. Dies schließt den Einsatz eines solarelektrischen Triebwerks, im Zusammenspiel mit Manövern, die sich die Gravitation von Planeten und Monden zunutze machen, ein, auch das eine Erstleistung.

SMART-1 wird die Unabhängigkeit der ESA in Bezug auf den Einsatz von Ionentriebwerken sicherstellen. Andere wissenschaftliche Missionen werden Ionentriebwerke für komplexe Manöver in Erdnähe einsetzen. Zum Beispiel wird die ESA-Mission LISA Gravitationswellen aufspüren, die aus dem fernen Universum zu uns kommen. Auch zukünftige ESA-Missionen zu den Planeten werden Ionentriebwerke an Bord haben.

Mehr Science-Fact als Science-Fiction
Auch wenn die Realität vielleicht nicht ganz so aufregend ist wie das, was man auf der Kinoleinwand zu sehen bekommt, so ist doch durch SMART-1 und zukünftige Missionen klar, dass Ionentriebwerke mittlerweile mehr Science-Fact als Science-Fiction sind.

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Autor: Lutz Growalt.

Der Vertrag mit einem Volumen von sechs Millionen US-Dollar wurde im Rahmen des neugeschaffenen Prometheus-Projekts der NASA an den Technologiekonzern Lockheed Martin vergeben. Projekt Prometheus ist eine Initiative der NASA zur Entwicklung fortgeschrittener Antriebskonzepte (nuklear, solar-elektrisch) zur friedlichen Erforschung des Weltalls.
 
Ziel der vergebenen Studie ist die Untersuchung der Eignung verschiedener Antriebskonzepte, darunter nuklar- und solarelektrische Antriebe, für eine Orbiter-Forschungsmission zum eisigen Jupitermond.
 
An die Auswahl einer geeigneten Antriebsmethode soll sich eine Konzeptstudie anschließen, die einen konkreten Entwicklungsplan für die JIMO-Mission beinhaltet. Nach Planungen der NASA soll im August 2004 ein privatwirtschaftlicher Generalunternehmer für Entwicklung, Start und Betrieb des Raumfahrzeugs ausgewählt werden.
 
Die für JIMO infrage kommende wissenschaftliche Instrumentierung soll durch eine NASA-Ausschreibung, an der interessierte Universitäten und Forschungseinrichtungen teilnehmen können, zusammengestellt werden.

Als wahrscheinliche Kandidaten für die wissenschaftliche Nutzlast des JIMO gelten derzeit eine Radaranalge zur Messung der Dicke der Eiskruste des Jupitermondes sowie ein Laser-Höhenmessung zur Untersuchung des Reliefs der Oberflächenkruste mit einer Meßgenauigkeit im Zentimeterbereich.
 
Als wahrscheinliche, weitere Ausstattung des Orbiters gelten derzeit eine Kamera, ein abbildendes Infrarotinstrument, ein Magnetometer und Instrumente zur Untersuchung der geladenen Partikel und des Staubs in der unmittelbaren Umgebung von Europa.
 
Um hinreichend Zeit für Entwicklung und die erforderlichen Testprogramme zur Verfügung zu stellen, gehen die derzeitigen Planungen von einem Starttermin des JIMO nicht vor dem Jahr 2011 aus.

Der Beitrag Auftragsvergabe für den Europa-Orbiter erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Autor: Karl Urban, bearbeitet von Star-Light. Quelle: ESA.

Mit SMART-1 schickt die Europäische Raumfahrtagentur ESA einen kaum kühlschrankgroßen Flugkörper auf die 17-monatige Reise zum Erdtrabanten. Die Mondsonde dient vor allem der Erprobung eines richtungsweisenden Antriebskonzepts für künftige interplanetare Missionen der ESA. Außerdem soll die Zusammensetzung des Mondgesteins mit speziell dafür entwickelten Spektrometern analysiert werden.

Mit SMART-1 bringt die ESA die erste einer Reihe von kleineren Missionen auf den Weg, die Lösungen und Technologien für umfassendere wissenschaftliche Flüge in der Zukunft ausloten sollen, denn SMART steht für „Small Missions for Advanced Research in Technology“. Im wissenschaftlichen Programm der ESA flankieren die flexiblen sowie kostengünstigen SMART-Vorhaben die zentralen Großprojekte und sollen diese vorbereiten helfen. Die kaum 350 kg schwere SMART-1-Sonde wird von einer Ariane-5 im Erdorbit ausgesetzt. Den Mond erreicht sie dann mit Hilfe des permanenten Schubs eines speziellen elektrischen Antriebs. Diese auch Ionentriebwerke genannten Systeme können für die weitere Erforschung unseres Sonnensystems ungeahnte Perspektiven eröffnen.

Mit dem Ionentriebwerk zum Mond
Während herkömmliche Raketentriebwerke chemischen Treibstoff verbrennen, um Schub zu erzeugen, arbeitet das Ionentriebwerk von SMART-1 mit Strom, der über die bordeigenen Solarpaddeln erzeugt wird. Mit der so gewonnenen elektrischen Energie werden Gasatome ionisiert: Den Atomen werden dabei negativ geladene Elektronen entrissen, so dass positiv geladene Teilchen – die Ionen – übrig bleiben. Ein Magnetfeld beschleunigt diese elektrisch geladenen Teilchen, die sich dann mit hoher Geschwindigkeit von dem Flugkörper weg bewegen und so die SMART-Sonde vorantreiben. Als Treibstoff wird also nur ein Gas, meist verwendet man Xenon, benötigt. Die „Ionenschleudern“ haben einen weit höheren Wirkungsgrad als chemische Triebwerke, so daß sie mit wesentlich weniger Treibstoff auskommen. Denn die geladenen Teilchen erreichen das Zehnfache der Geschwindigkeit, mit der die Verbrennungsgase herkömmlicher Raketenantriebe aus den Düsen strömen.

Im Visier: Merkur und Sonne
Die Bedeutung von Ionentriebwerken hängt mit ihrem hohen Wirkungsgrad zusammen, der Missionen möglich macht, die bislang nicht zu realisieren waren. So soll SMART-1 ein Verfahren zur Bahnänderung erproben, das den Ionenantrieb der Sonde und die Schwerkraft des Mondes ausnutzt. Ein Verfahren, das bei der 2012 startenden BepiColombo-Mission zum Planeten Merkur, eine zentrale Rolle spielen soll.

„Ein chemischer Antrieb erlaubt nur einen Vorbeiflug an dem Planeten oder bestenfalls das Einschwenken in eine sehr weite Umlaufbahn. Will man jedoch die Sonde in einen niedrigen Orbit um den Merkur bringen, so dass man den Planeten auch wirklich beobachten kann, dann geht das nur mit einem elektrischen Antrieb“ erläutert Giuseppe Racca, der SMART-1-Projektleiter.

Neben BepiColombo wird auch der Solar Orbiter, den die ESA etwa zur gleichen Zeit auf die Reise schicken will, mit einem elektrischen Antrieb ausgestattet. Die Sonnensonde soll mit Hilfe ihres Ionenantriebs in eine stark geneigte polare Umlaufbahn um unser Zentralgestirn einschwenken, die eine genauere Beobachtung ihrer Pol-Regionen erlaubt. Da diese ionengetriebenen Raumsonden weniger Treibstoff benötigen, steht an Bord mehr Platz für wissenschaftliche Instrumente zur Verfügung. Und mit der zunehmenden Miniaturisierung technologischer Komponenten werden auch die Instrumente kleiner. Dies wiederum erlaubt die Konstruktion kleinerer, leichterer und damit noch effizienterer Flugkörper.

„Solar-elektrische Antriebstechnik ebnet daher den Weg für die Erkundung der inneren Bereiche unseres Sonnensystems“, betont Giuseppe Racca, „weil man dort die unerschöpflichen Energien der Sonne anzapfen kann.“

Und dann der Sternenraum
In den äußeren Regionen unseres Systems, wo das Licht der Sonne schwächer ist, müssen ionengetriebene Raumsonden andere Stromquellen nutzen, beispielsweise bordeigene Kernreaktoren. Deshalb wären nach Raccas Auffassung elektrische Antriebe dieser Art der nächste logische Schritt in der Technologie-Entwicklung: „Sie könnten uns bis zum Kuiper-Gürtel und noch weiter hinaus bringen“.

Der Kuiper-Gürtel, der sich jenseits der Pluto-Bahn erstreckt, ist für viele Wissenschaftler das Traumziel einer Mission. Es gibt dort Kometen, die seit Entstehung des Sonnensystems unbehelligt ihre Bahn ziehen. Und jenseits dieser Kometen öffnet sich der noch weitgehend unbekannte interstellare Raum, für Astronomen ein lockendes Forschungsziel. Durch elektrische Antriebe könnte eine solche Mission in greifbare Nähe rücken, weil ein Ionentriebwerk lange Zeit ununterbrochen laufen und so kontinuierlich beschleunigen kann. Damit erweist sich ein derartiges Antriebskonzept jedem chemischen Triebwerk weit überlegen.

Guiseppe Racca ist sich sicher: „Solar- und nukleargespeiste elektrische Antriebe eröffnen uns die Möglichkeit, bei der Erforschung unseres Sonnensystems völlig neue Wege zu beschreiten“.

Der Beitrag ESA-Mondsonde erprobt innovatives Antriebskonzept erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Autor: David Langkamp.

Somit würde VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) die Flugdauer zum Roten Planeten auf weniger als die Hälfte der von herkömmlichen Antrieben benötigten Zeit verkürzen, was die Reise für die Astronauten in anbetracht der Strahlung und der Schwerelosigkeit erheblich gesünder und sicherer machen würde.

Das neue Antriebssystem besteht aus drei Kammern. Die erste Kammer hat die Aufgabe Wasserstoff zu ionisieren. In der zweiten Kammer werden die Teilchen dann von Radiowellen in Schwingung versetzt und so auf mehrere Millionen Grad erhitzt. Die dritte Kammer ist eine Art magnetische Düse, welches das Plasma vom Raumschiff abstößt und so den Schub erzeugt. Durch die magnetische Düse läßt sich auch der Schub gezielter steuern und auf die Bedürfnisse des Fluges einstellen.

VASIMR wird am Johnson’s Advanced Space Propulsion Laboratory unter der Leitung von Franklin Chang-Diaz entwickelt. „Als Vorläufer des Fusionsantriebs ist VASIMR eine schnelle und kraftreiche Antriebsarchtitektur,“ so Chang-Diaz.

Während der dreimonatigen Reise zum Mars würde ein Raumschiff die ersten sechs Wochen Schub geben und in der zweiten Hälfte der Reise die Geschwindigkeit dann wieder drosseln. Chemische Antriebsformen bräuchten etwa sieben bis acht Monate zum Mars und würden einen großen Teil der Zeit einfach im Raum driften.

Auch auf dem kommerziellen Sektor erhofft man sich mit VASIMR Chancen – Satelliten könnten einfacher im Erdorbit auf ihrer Bahn positioniert werden. Die Umsetzung des VASIMR-Antriebs ist von eine Reihe von Technologien abhängig, die laut Chang-Diaz für das Projekt entwickelt würden. Dies beinhalte auch bei Weltraumtemperatur supraleitende Magneten, kompakte Anlagen zur Stromerzeugung sowie robuste Radiowellengeräte um das Plasma zu erhitzen. Ob VASIMR angesichts der derzeit angespannten Haushaltslage der NASA sowie der technischen Herausforderungen realisiert werden kann, erscheint leider momentan fraglich.

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