Quelle: Jet Propulsion Laboratory, 28. April 2026

Dieser Prototyp erreichte Leistungswerte, die über denen der leistungsstärksten Elektroantriebe aller derzeitigen Raumfahrzeuge der Behörde liegen. Wertvolle Daten aus dem ersten Zündversuch dieses Triebwerks werden in eine bevorstehende Testreihe einfließen.

„Bei der NASA arbeiten wir an vielen Dingen gleichzeitig, und wir haben den Mars nicht aus den Augen verloren. Die erfolgreiche Leistung unseres Triebwerks in diesem Test zeigt echte Fortschritte auf dem Weg dahin, einen amerikanischen Astronauten auf den Roten Planeten zu schicken“, sagte NASA-Administrator Jared Isaacman. „Dies ist das erste Mal in den Vereinigten Staaten, dass ein elektrisches Antriebssystem mit einer so hohen Leistung von bis zu 120 Kilowatt betrieben wurde. Wir werden weiterhin strategische Investitionen tätigen, die diesen nächsten großen Sprung vorantreiben werden.“

Während fünf Zündvorgängen glühte die Wolframelektrode in der Mitte des Triebwerks hellweiß und erreichte Temperaturen von über 2.800 Grad Celsius. Die Arbeiten wurden im Electric Propulsion Lab des JPL durchgeführt, wo sich die Vakuumanlage für verdampfbare Metalltreibstoffe befindet – eine einzigartige nationale Einrichtung für die sichere Erprobung von Elektrotriebwerken, die Metalldampf-Treibstoffe bei Leistungen bis in den Megawattbereich nutzen.

Inbetriebnahme

Elektrische Antriebe verbrauchen bis zu 90 % weniger Treibstoff als herkömmliche chemische Raketen mit hohem Schub. Aktuelle elektrische Triebwerke, wie jene, die die Psyche-Mission der NASA antreiben, nutzen Solarenergie, um Treibstoffe zu beschleunigen, und erzeugen so einen geringen, kontinuierlichen Schub, der im Laufe der Zeit hohe Geschwindigkeiten erreicht. Das NASA JPL testet derzeit ein mit Lithium betriebenen magnetoplasmadynamischen (MPD) Triebwerk, eine Technologie, die seit den 1960er Jahren erforscht wird, aber noch nie im Einsatz war. Der MPD-Motor unterscheidet sich von bestehenden Triebwerken dadurch, dass er hohe Ströme nutzt, die mit einem Magnetfeld interagieren, um Lithiumplasma elektromagnetisch zu beschleunigen.

Während des Tests erreichte das Team eine Leistung von bis zu 120 Kilowatt. Das ist mehr als das 25-Fache der Leistung der Triebwerke von Psyche, das derzeit über die leistungsstärksten elektrischen Triebwerke aller NASA-Raumsonden verfügt. Im Vakuum des Weltraums beschleunigt die sanfte, aber konstante Kraft, die die Triebwerke von Psyche im Laufe der Zeit liefern, die Raumsonde auf 200.000 Kilometer pro Stunde.

„Die Entwicklung und der Bau dieser Triebwerke in den letzten Jahren waren eine lange Vorbereitung auf diesen ersten Test“, sagte James Polk, leitender Wissenschaftler am JPL. „Das ist ein großer Moment für uns, denn wir haben nicht nur gezeigt, dass das Triebwerk funktioniert, sondern auch die angestrebten Leistungswerte erreicht. Und wir wissen, dass wir über einen guten Teststandort verfügen, um die Herausforderungen der Skalierung anzugehen.“

Übergang zu Elektroantriebstechnik

Um den Test zu beobachten, spähte Polk durch eine kleine Öffnung in die 8 Meter lange, wassergekühlte Vakuumkammer. Im Inneren sprang der Antrieb an, wobei seine düsenförmige Außenelektrode glühend hell leuchtete und eine leuchtend rote Abgasfahne ausstieß. Polk forscht seit Jahrzehnten an lithiumbetriebenen MPD-Antrieben und hat an der Dawn-Mission der NASA sowie an Deep Space 1 mitgearbeitet, der ersten Demonstration elektrischen Antriebs jenseits der Erdumlaufbahn.

Das Team strebt an, in den kommenden Jahren Leistungswerte zwischen 500 Kilowatt und 1 Megawatt pro Triebwerk zu erreichen. Da die Hardware bei so hohen Temperaturen arbeitet, wird es eine zentrale Herausforderung sein, in vielen Teststunden nachzuweisen, dass die Komponenten der Hitze standhalten können. Eine bemannte Mission zum Mars könnte 2 bis 4 Megawatt Leistung benötigen, was mehrere MPD-Triebwerke erfordern würde, die mehr als 23.000 Stunden lang in Betrieb sein müssten.

Lithium-betriebene MPD-Triebwerke haben das Potenzial, mit hoher Leistung zu arbeiten, Treibstoff effizient zu nutzen und einen deutlich höheren Schub zu liefern als derzeit eingesetzte elektrische Triebwerke. In ihrer ausgereiften Form und in Kombination mit einer nuklearen Energiequelle könnten sie die Startmasse reduzieren und die für bemannte Marsmissionen erforderlichen Nutzlasten ermöglichen.

Die seit zweieinhalb Jahren andauernde Entwicklung des MPD-Triebwerks wird vom JPL in Zusammenarbeit mit der Princeton University in New Jersey und dem Glenn Research Center der NASA in Cleveland geleitet. Sie wird durch das Space Nuclear Propulsion-Projekt der NASA finanziert, das seit 2020 ein Programm für nuklear-elektrische Antriebe der Megawattklasse für bemannte Marsmissionen unterstützt, wobei der Schwerpunkt auf fünf entscheidenden Technologieelementen liegt, zu denen auch das elektrische Antriebssubsystem gehört. Das Projekt mit Sitz im Marshall Space Flight Center der Behörde in Huntsville, Alabama, ist Teil des Space Technology Mission Directorate der NASA.

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• Elektrische Antriebe

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Der Anfang vom Anfang war gemacht: Zu Beginn des 20. Jahrhunderts hatten Wissenschaftler herausgefunden, dass unser Universum nicht ewig und unveränderlich in all seiner Pracht existiert, sondern dass es in ferner Vergangenheit zunächst entstanden ist. Dieses Ereignis bezeichnen wir heute als Urknall – aber was ist dann passiert?

In dieser Folge erzählt Franzi die Geschichte eines Physikers namens Ralph Alpher, der herausgefunden hat, wie das Weltall und alles in ihm entstanden ist: wie die Materie in unser Universum kam, allen voran die beiden häufigsten chemischen Elemente Wasserstoff und Helium. Diese Urknall-Nukleosynthese ist bis heute eine der stärksten Hinweise darauf, dass das Universum in einem unvorstellbar heißen und dichten Zustand angefangen hat – und sie verrät uns außerdem, wie lange dieser Anfang vom Allem gedauert hat.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist ein Podcast der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• AstroGeo Podcast
• Urknall

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Quelle: Technische Universität München (TUM).

9. Dezember 2021 – Während sich die Kernphysik darüber einig ist, dass es im Universum keine Systeme gibt, die nur aus Protonen bestehen, suchen Physikerinnen und Physiker seit über 50 Jahren nach Teilchen, die aus zwei, drei oder vier Neutronen zusammengesetzt sind.

Würde ein solches Teilchen existieren, müssten Teile der Theorie der starken Wechselwirkung neu überdacht werden. Darüber hinaus könnte das eingehendere Studium dieser Teilchen helfen, die Eigenschaften von Neutronensternen besser zu verstehen.

„Die starke Wechselwirkung ist im wahrsten Sinne des Wortes die Kraft, die die Welt im Innersten zusammenhält. Schwerere Atome als Wasserstoff, wären ohne sie undenkbar“, sagt Dr. Thomas Faestermann, unter dessen Leitung die Versuche stattfanden.

Alles deutet nun darauf hin, dass in einem der letzten Experimente am inzwischen stillgelegten Tandem-Van-de-Graaff-Beschleuniger auf dem Forschungscampus Garching genau solche Teilchen entstanden sind.

Die lange Suche nach dem Tetra-Neutron
Schon vor 20 Jahren publizierte eine französische Arbeitsgruppe Messwerte, die sie als die Signatur der gesuchten Tetra-Neutronen interpretierten. Spätere Arbeiten einer anderen Gruppe zeigten jedoch, dass die angewandte Methodik die Existenz eines Tetra-Neutrons nicht beweisen kann.

2016 versuchte eine Gruppe in Japan Tetra-Neutronen aus Helium-4 zu erzeugen, indem sie es mit einem Strahl aus radioaktiven Helium-8-Teilchen beschossen. Bei dieser Reaktion sollte Beryllium-8 entstehen. Tatsächlich konnten sie vier solcher Atome nachweisen. Aus ihren Messergebnissen folgerten sie, dass das Tetra-Neutron ungebunden sei und schnell wieder in vier Neutronen zerfalle.

Faestermann und sein Team beschossen bei ihren Versuchen ein Lithium-7-Target mit auf etwa zwölf Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigten Lithium-7-Teilchen. Hierbei sollte neben dem Tetra-Neutron Kohlenstoff-10 entstehen. Und in der Tat gelang es den Physikern, diese Spezies nachzuweisen. Eine Wiederholung bestätigte das Ergebnis.

Der Indizienbeweis
Die Messergebnisse des Teams entsprachen der Signatur, die ein Kohlenstoff-10 im ersten angeregten Zustand und ein Tetra-Neutron mit einer Bindungsenergie von 0,42 Megaelektronenvolt (MeV) zeigen würden. Den Messungen zufolge wäre das Tetra-Neutron ungefähr so stabil wie das Neutron selbst. Danach würde es mit einer Halbwertszeit von 450 Sekunden durch Beta-Zerfall zerfallen. „Dies ist für uns die einzige physikalisch in allen Punkten plausible Erklärung der gemessenen Werte“, erläutert Dr. Thomas Faestermann.

Mit seinen Messungen erreicht das Team eine Sicherheit von deutlich über 99,7 Prozent oder 3 sigma. Doch damit ein Teilchen in der Physik als sicher existent gelten darf, wird eine Sicherheit von 5 sigma verlangt. Gespannt warten die Forscher daher nun auf eine unabhängige Bestätigung.

Publikation:
Indications for a bound tetraneutron
Thomas Faestermann, Andreas Bergmaier, Roman Gernhäuser, Dominik Koll, Mahmoud Mahgoub
Physics Letters B 824 (2022) 136799 – DOI: 10.1016/j.physletb.2021.136799

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• Teilchenumwandlung

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