Im Jahr 1972 finden Kerntechniker an einer französischen Wiederaufbereitungsanlage ein merkwürdiges Material: Es wurde aus dem Uranerz einer Lagerstätte in Gabun hergestellt. Und dieses Uranerz ist deutlich abgereichert: Der Anteil des Isotops Uran-235 ist viel geringer als überall sonst auf der Erde, dem Mond oder den Planeten. Was hier fehlt, ist das spaltbare Material: Es ist jenes Uran-Isotop, das in Kernreaktoren und für den Bau von Atombomben verwendet wird. Was ist mit diesem besonderen Uran-Isotop passiert: Wohin ist es verschwunden?

Karl erzählt in der Folge die Geschichte des Naturreaktors von Oklo. Während der Entdeckung war die Existenz eines stabilen nuklearen Kettenreaktion in der Erdgeschichte zwar für denkbar, aber kaum für wahrscheinlich gehalten worden. Mittlerweile aber ist das Rätsel in weiten Teilen gelöst, wie genau sich Kernreaktoren an 17 verschiedenen Stellen im Gestein Westafrikas spontan bilden konnten. Seit dieser Nachweis erbracht wurde, gelten Naturreaktoren als geheime Kraft der Erdgeschichte. Möglicherweise haben wir ihr sogar unser Leben zu verdanken.

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 der 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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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

8. Dezember 2021 – Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung des Exzellenzclusters PRISMA+ der Johannes Gutenberg‐Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz‐Instituts Mainz (HIM) hat eine Labor‐Methode zur Suche nach extrem leichten Dunkle Materie Teilchen – sogenannte Axion‐like Particles (ALP) – erfolgreich weiterentwickelt. Prinzipiell nutzen die Forscherinnen und Forscher in ihren Experimenten Techniken der kernmagnetischen Resonanz: Durch einen neuen Aufbau konnten sie nun die Empfindlichkeit um fünf Größenordnungen gegenüber früheren Experimenten steigern, wie sie in der Zeitschrift Nature Physics zeigen.

Noch ist über die genaue Natur der Dunklen Materie wenig bekannt. Als vielversprechende Kandidaten gelten heute extrem leichte bosonische Teilchen, etwa sogenannte Axionen, Axion‐like Particles oder auch Dunkle Photonen. Diese können als klassisches Feld angesehen werden, das mit einer bestimmten Frequenz oszilliert. Wie groß diese Frequenz – und demzufolge die Masse der Teilchen – ist, ist bisher nicht bekannt. Deshalb durchsuchen die Forschenden mit ihren Experimenten systematisch unterschiedliche Frequenzbereiche nach Hinweisen auf Dunkle Materie. „Dabei gibt es noch viel zu tun, denn einen großen Massebereich, der für ALPs in Frage kommt, haben wir noch nicht überprüft“, sagt Prof. Dr. Dmitry Budker, Professor bei PRISMA+ und am HIM, das neben der Universität auch vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt getragen wird. „Dabei setzen wir weiter auf das Prinzip der Kernspinresonanz, also die Tatsache, dass Kernspins auf Magnetfelder reagieren, die mit einer bestimmten Resonanzfrequenz schwingen. Die Stärke dieses Resonanzsignals bestimmen wir mit einem empfindlichen Magnetometer.“

Die Grundannahme der Experimente: Auch ein Dunkle‐Materie‐Feld beeinflusst die Kernspins eines Sensors in dieser Weise. Während sich die Erde durch dieses Feld bewegt, verhalten sich die Kernspins im Sensor genau wie in einem oszillierenden magnetischen Feld. Das Ergebnis ist ein durch Dunkle Materie hervorgerufenes Kernspin‐Signal.

Kombination aus zwei Effekten: Vorverstärktes Signal und empfindlichere Messung
Als Sensor nutzen die Mainzer Wissenschaftler und ihre Kollegen der University of Science and Technology of China (USTC) das Edelgas Xenon, genauer gesagt das Isotop Xenon‐129. Das Magnetometer, welches potentielle Signale misst, basiert auf dem Element Rubidium. Dabei gibt es vor allem zwei Besonderheiten: „Wir bauen das Experiment so auf, dass die Xenon‐Atome ein oszillierendes Feld zunächst verstärken: So würde der Effekt, den ein potentielles ALP Feld auslöst, um einen Faktor 100 größer sein“, beschreibt Co‐Autor Antoine Garcon, Doktorand am HIM. „Zudem befindet sich unser Magnetometer – also die Ausleseeinheit – in der gleichen Zelle wie das Sensorgas Xenon. Der stärkere Kontakt zwischen beiden erhöht neben dem stärkeren Signal zusätzlich die Empfindlichkeit der Messung.“

„Dies ist mehr oder weniger das gleiche Prinzip, das unserem ‚Cosmic Axion Spin Precession Experiment‘‐Forschungsprogramm – kurz CASPEr – zugrunde liegt, einer Zusammenarbeit zwischen PRISMA+ und der Boston University in den USA. Die Details der technischen Umsetzung sind jedoch recht unterschiedlich“, ordnet Dmitry Budker ein.

In der aktuellen Arbeit zeigten die Kooperationspartner zunächst, dass ihre Idee grundsätzlich funktioniert: Sie legen ein schwaches oszillierendes Magnetfeld an, um ein ALP Feld zu simulieren und können damit die vorhergesagten Signale exakt nachweisen. In einem nächsten Schritt bestimmten sie die Empfindlichkeit ihres Versuchsaufbaus: Im Ergebnis ist diese um fünf Größenordnungen besser als bei früheren Experimenten.

Nach erfolgreichem Proof‐of‐Principle starteten die Wissenschaftler erste Messreihen, um nach Dunkler Materie zu suchen. Dabei konnten sie den Massebereich von wenigen Femtoelektronenvolt (feV) bis beinahe 800 feV absuchen. Zwar konnten sie in diesem Bereich bisher kein ALP Signal finden, aber durch die viel höhere Empfindlichkeit ist es gelungen neue und strenge Grenzen im Hinblick auf die Stärke der ALP Wechselwirkung mit normaler Materie zu formulieren. Zudem konnten sie den Suchbereich im Vergleich zu den CASPEr‐Experimenten um eine Größenordnung hin zu höheren Massen erweitern – und so nach dem Ausschlussverfahren den Suchbereich für ALPs noch weiter einschränken. Auch für die Suche nach Dunklen Photonen ‐ den postulierten Botenteilchen der Dunklen Materie – konnte der Aufbau genutzt werden. Und auch hier ist es dem Forscherteam gelungen, entsprechende Grenzen festzusetzen. Durch längere Messzeiten könnte die Empfindlichkeit ihrer Methode noch weiter verbessert werden, beschreiben die Autoren in Nature Physics.

Gleiches Prinzip – unterschiedliches Forschungsprojekt
Einen sehr ähnlichen Versuchsaufbau beschreibt eine weitere kürzlich in Science Advances erschienene Arbeit. Auch hier ist Dmitry Budker beteiligt: „Wir verwenden im Wesentlichen denselben Spin‐Verstärker, allerdings zu einem anderen Zweck. Statt nach dem Dunkle‐Materie‐Feld suchen wir nach einer möglichen exotischen Wechselwirkung zwischen einer Massenquelle und Kernspins – sozusagen einer ‚fünften Kraft‘. Die exotischen Wechselwirkungen würden durch die Existenz ‚neuer‘ Teilchen entstehen, die wiederum eine Verbindung zu Dunkler Materie haben könnten.“ Auf der Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells bietet die neue Methode jedenfalls spannende neue Ansätze und Perspektiven.

Veröffentlichungen:
Jiang, M., Su, H., Garcon, A. et al. Search for axion‐like dark matter with spin‐based amplifiers, Nat. Phys. (2021), 18. November 2021
DOI: 10.1038/s41567‐021‐01392‐z
https://www.nature.com/articles/s41567‐021‐01392‐z
Su, H., Wang, Y., Jiang, M. et al. Search for exotic spin‐dependent interactions with a spin‐based amplifier, Science Advances (Vol.7, Issue 47), 17. November 2021
DOI: 10.1126/sciadv.abi9535
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi9535

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• Dunkle Materie

Der Beitrag JGU: Leichten Dunkle Materieteilchen auf der Spur erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Axel Nantes. Quelle: NASA.

Während der kommenden Monate soll Dawn näher als bisher an Ceres alias A899 OF und 1943 XB herankommen. Die 2007 gestartete Sonde kreist nach einem Besuch des großen Asteroiden Vesta seit dem 6. März 2015 um den Zwergplaneten Ceres.

Aktuell untersuchen Dawns Flugdynamiker Wege, Dawn in eine Bahn zu steuer, deren der Oberfläche von Ceres nächstliegender Bahnpunkt bei unter 200 Kilometer liegen soll. Bisher war Dawn maximal bis auf rund 240 Kilometer der Oberfläche des Zwergplaneten nahegekommen.

Die Priorität der Forschungen im Rahmen der zweiten Missionserweiterung bei Ceres liegt nach einer Meldung des Labors für Strahlantrieb (Jet Propulsion Laboratory, JPL) der NASA mit Datum vom 19. Oktober 2017 bei der Sammlung von Daten durch Dawns Gamma- und Neutronspektrometer (Gamma Ray and Neutron Detector, GRaND), das vom Los Alamos National Laboratory (LANL) in den USA entwickelt worden war. Das Instrument ist in der Lage, Menge und Energie von Gamma- und Neutronenstrahlung zu bestimmen. Die Informationen, die man von dem Instrument erhalten kann, sind wichtig für das Verständnis der Zusammensetzung der obersten Schichten der Atmosphäre von Ceres und die Beantwortung der Frage, wie viel Eis es dort gibt.

Fortsetzen will man auch die Beobachtung von Ceres und seinen geologischen Oberflächenstrukturen im Bereich des für den Menschen sichtbaren Lichts mit den beiden in Deutschland entstandenen Framing Cameras (FC) vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen und dem Institut für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin-Adlershof. Ebenfalls weiterführen möchte man mineralogische Untersuchungen, in deren Rahmen ein von der Italienischen Raumfahrtagentur (Agenzia Spaziale Italiana, ASI) beigesteuertes Spektrometer für sichtbares Licht und Infrarotstrahlung (Visible & Infrared Spectrometer, VIR) zum Einsatz kommt.

Die neuerliche Missionserweiterung erlaubt es auch, Dawn einzusetzen, während Ceres sich durch das Perihel, die größte Annäherung an die Sonne, bewegt. Im April 2018 erreicht Ceres auf seiner Bahn um die Sonne, auf der er für eine Runde etwa 1.682 Erdtage benötigt, das nächste Perihel.

Je näher Ceres an die Sonne herankommt, desto mehr Eis von seiner Oberfläche könnte sich in Wasserdampf verwandeln, was bei der vom ESA-Weltraumteleskop Herschel vor der Ankunft von Dawn bei Ceres beobachteten veränderlichen dünnen Atmosphäre eine Rolle spielen könnte. Bislang von Dawn gelieferte Daten werden derart interpretiert, dass der Wasserdampf in der Atmosphäre entsteht, wenn energiereiche Teichen von der Sonne mit Eis auf der Oberfläche von Ceres interagieren. Während des Durchgangs durch das Perihel soll Ceres auch von am Erdboden stationierten Teleskopen beobachtet werden. Die Informationen von den Teleskopen und der Raumsonde möchte man anschließend zusammen betrachten und auswerten.

Aktuell rechnen die Missionsplaner damit, Dawn bis in die zweite Hälfte des Jahres 2018 hinein nutzbringend einsetzen zu können. Irgendwann allerdings wird die Mission der Sonde sicher enden. Im Rahmen von Bestrebungen, Ceres vor Kontaminationen von der Erde zu schützen, soll Dawn schließlich in einen auf lange Zeit sicheren Orbit um Ceres gebracht werden, aus dem heraus auf absehbare Zeit kein Absturz auf Ceres erfolgen kann, auch wenn (dann später) schon lange kein Hydrazin und Xenon für Dawns Triebwerke an Bord mehr vorhanden ist. Nach der letzten Bahnänderung will man die Sonde noch solange weiter betreiben, wie es ihr Zustand zulässt.

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• Dawn (Discovery 9) auf Delta II 7925H D327 von CC SLC-17B

Der Beitrag Missionsverlängerung für Dawn im Orbit um Ceres erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Axel Nantes. Quelle: NASA.

Während der Vorbereitung von Beobachtungen bei einer bestimmten Opposition genannten Konstellation, bei der Dawn sich im Bereich zwischen der Sonne und Ceres bewegte, wurde am 23. April 2017 ein sogenannter Sicherheitsmodus („safemode“) ausgelöst, bei dem die Sonde in einen Zustand eingeschränkter Aktivität mit definiertem Kommunikationsverhalten versetzt worden ist.

Im Verlauf einer turnusmäßigen Kommunikationssitzung übermittelte die Sonde am 24. April 2017 Informationen zur Erde, aus denen hervorging, dass die Sonde nun auch das dritte von vier Reaktionsrädern an Bord – relativ schwere, scheibenförmige Massen, die elektromotorisch angetrieben die Lage der Sonde im Raum verändern können – verloren hatte. Der Fehler war aufgetreten, nachdem Dawn am 22. April 2017 eine fünfstündige angetriebene Flugphase unter Nutzung ihres elektrischen, Xenon ausstoßenden Triebwerkssystems absolviert hatte. Wegen des Ausfalls kamen weitere, kürzere angetriebene Flugphasen am 23. und 24. April 2017 nicht zu Stande.

Nachdem die Bodenkontrolle auf der Erde Kenntnis von dem Problem an Bord der Sonde erlangt hatte, gelang es am 25. April 2017 die Sonde wieder in ein Standartbetriebsregime mit einer Lageregelung durch kleine, Hydrazin katalytisch zersetzende Triebwerke zu versetzen. Die Bahn der Sonde würde es nach Angaben der NASA auch erlauben, die während der Opposition vorgesehenen Messungen durchzuführen. Außerdem werde es im verbleibenden Teil der erweiterten Mission von Dawn im Orbit um Ceres laut NASA durch den Ausfall des Reaktionsrades keine signifikanten Beeinträchtigungen geben.

Dawn war im Jahre 2007 gestartet worden. Vor Erreichen des Zwergplaneten Ceres konnte Dawn bereits den großen Asteroiden Vesta intensiv untersuchen. 2016 schloss Dawn ihre Primärmission im Orbit um Ceres ab. Aktuell wird die Sonde im Rahmen einer Missionserweiterung betrieben.

Auf den Ausfall des Reaktionsrades war man – auch wegen bereits gewonnener Erfahrungen – vorbereitet. Das erste Reaktionsrad hatte im Juni 2010 – etwa ein Jahr vor Ankunft bei Vesta – seine Arbeit eingestellt, ein weiteres im August 2012 im Orbit um Vesta. Zunächst wurden die Hydrazin-Triebwerke benutzt, um den Verlust der Reaktionsräder zu kompensieren. 12 dieser 0,9 Newton starken Triebwerke sind um den Hauptkörper der Sonde herum verteilt.

NASAs Labor für Strahlantrieb (JPL) aus Pasadena in Kalifornien und der Hersteller der Sonde, die Orbital ATK Inc. aus Dulles im US-Bundesstaat Virginia, entwickelten eine Software für einen hybriden Kontrollmodus, der die eingeschränkte Nutzbarkeit der Reaktionsräder berücksichtigte. Diese Software war dann im April 2011 auf der Sonde installiert worden.

Wegen der beschränkten Menge von Hydrazin an Bord entwarf man außerdem eine Strategie, in deren Rahmen man beim Orbiteinschuss bei Ceres möglichst wenig Treibstoff einsetzen wollte.

Für den weiteren Weg zu Ceres und beim anschließenden Orbiteinschuss benötigte man schließlich statt der ursprünglich projektierten 12,5 Kilogramm nur 4,4 Kilogramm Hydrazin. Gestartet war Dawn mit 45,6 Kilogramm Hydrazin an Bord, beim Abflug von Vesta waren noch 32,3 Kilogramm verfügbar.

Die Mission der Sonde wird im Orbit um Ceres beendet. Es gab Überlegungen, den Ionenantrieb der Sonde zu benutzen, um sie in Richtung eines weiteren Objektes im Asteroidengürtel, (145) Adeona, zu beschleunigen. Ein Verbleib bei Ceres betrachtete man schließlich als wissenschaftlich nachhaltiger.

Das verbliebene Hydrazin an Bord wird man weiter verwenden, um die Sonde während geplanter Kommunikationssitzungen so auszurichten, dass ihre Kommunikationsantenne zur Erde senden kann. Außerdem muss die Sonde während der Beobachtung von Ceres so gesteuert werden, dass ihre Solarzellenausleger ausreichend Sonnenlicht einfangen können. Verliert man die Möglichkeit zu einer entsprechenden Ausrichtung, kann das Missionsende zügig kommen. Erwartet wird, dass Dawn noch Jahrzehnte nach Betriebsende als künstlicher Mond um Ceres kreisen wird.

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• Dawn (Discovery 9) auf Delta II 7925H D327 von CC SLC-17B

Der Beitrag Einradsonde Dawn erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Axel Nantes. Quelle: CCTV/CGTN, China Daily, Chinanews.com, China Satcom, ScienceNet.cn, Xinhua.

Befördert wurde der Kommunikationssatellit von einer dreistufigen Rakete des Typs Langer Marsch 3B/G2 (LM-3B/G2) bzw. Chang Zheng-3B/G2 (CZ-3B/G2). Die Variante 3B/G2 absolvierte hier ihre 21. Mission.

Die staatliche chinesische Nachrichtenagentur Xinhua spricht vom 246. Start einer Rakete mit dem Namensbestandteil Langer Marsch insgesamt. Im Jahr 2017 war es der vierte Start eines Raumfahrtträgers aus China. Verwendet wurde das Projektil mit der Seriennummer Y43.

Der Start erfolgte am 12. April 2017 um 19:04 Uhr und 4 Sekunden Pekinger Zeit, das ist 12:04 Uhr und 4 Sekunden MEZ, von der Rampe Nr. 2 des Satellitenstartzentrums Xichang. Letzteres befindet sich in rund 65 Kilometern Abstand von der Stadt Xichang.

Raketen der Varianten 3B wurden in der Vergangenheit zum Transport von Navigationssatelliten und geostationären Kommunikationssatelliten verwendet. Dem entsprechend wurde Shijian 13 auf einen Geotransferorbit (GTO) gebracht, wo er rund 26 Minuten nach dem Abheben ausgesetzt wurde.

Von der US-amerikanischen Weltraumüberwachung ermittelte Daten sprechen für eine Übergangsbahn mit einem Perigäum, dem der Erde nächsten Bahnpunkt, von rund 243 Kilometern über der Erde, einem Apogäum, dem erdfernsten Bahnpunkt, von rund 41.744 Kilometern und einer Neigung der Bahn gegen den Erdäquator von etwa 20,96 Grad. Die Oberstufe der Rakete wurde nach dem Start in einem Orbit mit einem Perigäum von rund 225 Kilometern, einem Apogäum von rund 40.522 Kilometern und einer Bahnneigung von ebenfalls etwa 20,96 Grad beobachtet.

Nach Angaben aus China handelt es sich bei Shijian 13 um einen experimentellen Kommunikationssatelliten. Die staatliche chinesische Nachrichtenagentur Xinhua meldete, die Hauptaufgabe des Satelliten sei die Bereitstellung von Hochgeschwindigkeitsdatenverbindungen für hohen Durchsatz zur Nutzung bei der Reaktion auf Notfälle, in abgelegenen Landesteilen (u.a. für Bildung und Telemedizin), und durch Reisende auf Chinas wachsendem Hochgeschwindigkeitszugnetz sowie im chinesischen Luftraum.

Die Kommunikationsnutzlast des neuen Erdtrabanten kann im K_a-Band 26 unterschiedliche Ausleuchtzonen bedienen. Adressiert wird sowohl Festlandchina als auch die umgebenden Seegebiete. Der insgesamt mögliche Datendurchsatz soll sich im Bereich von 20 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s bzw. Gbps) bewegen. Damit besitzt der Satellit alleine laut Xinhua eine höhere Kapazität als alle bisherigen chinesischen Kommunikationssatelliten zusammen.

Als weitere Neuheit befindet sich an Bord von Shijian 13 das erste chinesische Laserkommunikationsterminal (laser communications terminal, LCT) zum Einsatz auf einem längerfristig einsetzbaren Satelliten. 15 Jahre werden als Auslegungsbetriebsdauer von Shijian 13 genannt, während derer Tests von Verbindungen zwischen dem LCT an Bord des Satelliten und geeigneten Gegenstellen am Erdboden abgewickelt werden sollen.

Auch ein elektrisches Antriebssystem hat Shijian 13 spendiert bekommen. Es umfasst im Wesentlichen vier Xenon als Stützmasse ausstoßende Triebwerke des Typs LIPS-200 vom 1962 gegründeten Physikalischen Institut Lanzhou (Lanzhou Institute of Physics, LIP) in Lanzhou mit einem Durchmesser von rund 200 Millimetern, zwei redundante Stromversorgungseinheiten (power processing units, PPUs) und ein System zur Versorgung mit Xenon (xenon feed system, XFS). Der Nominalschub der paarweise auf kleinen Auslegern montierten LIPS-200-Triebwerke beträgt pro Triebwerk 40 Millinewton. Als Spezifischer Impuls werden 3.136 Sekunden angegeben, als Strombedarf 1.200 Watt im Betrieb.

Die Masse des elektrischen Antriebssystems von Shijian 13 beträgt ohne Xenon rund 36 Kilogramm. Getankt wurden 100 Kilogramm Xenon. Die elektrischen Triebwerke von Shijian 13 sollen primär zur Lagekorrektur in Nord-Süd-Richtung verwendet werden. Positioniert werden soll Shijian 13 bei 110,5 Grad Ost im Geostationären Orbit.

Die Startmasse von Shijian 13 lag bei rund 4.600 Kilogramm. Konstruiert wurde er von der chinesischen Akademie für Raumflugtechnik (China Academy of Space Technology, CAST) basierend auf dem chinesischen Satellitenbus DFH-3B. Entwickelt wurde der Satellit nach Angaben der China Satellite Communications Co., Ltd. (China Satcom) von der China Aerospace Science and Technology Corporation, dem China Space Technology Research Institute und der China Aerospace Science and Technology Corporation’s China Pacific Group Co., Ltd..

Die CAST und die China Satcom wollen den in chinesischen Medien auch als himmlischen Super-Router bezeichneten Satelliten zusammen betreiben. So begründen sich auch die beiden Bezeichnungen des Raumfahrzeugs: Shijian bedeutet auf Deutsch etwa soviel wie Übung und wird bei Satelliten eines chinesischen Programms zur Erprobung von Weltraumtechnik verwendet. Als ChinaSat werden Kommunikationssatelliten bezeichnet, die im Rahmen eines staatlichen Satellitenkommunikationsprogramms eingesetzt werden.

Die Realisierung des Satelliten erfolgte laut China Satcom unter gemeinsamer Ägide des Büros für Wissenschaft, Technik und Industrie zur Landesverteidigung aus Peking und der Partner aus Forschung und Industrie. Überwacht und gesteuert wird der Satellit vom auch als Basis 26 bekannten Satellitenkontrollzentrum Xi’an (China Xi’an Satellite Monitor and Control Center, CXSCC).

Shijian 13 (SJ 13) alias ChinaSat 16 (Zhongxing 16, ZX-16) ist katalogisiert mit der NORAD-Nr. 42.662 und als COSPAR-Objekt 2017-018A. Ein weiteres Objekt, die Oberstufe der Trägerrakete, ist katalogisiert mit der NORAD-Nr. 42.663 und als COSPAR-Objekt 2017-018B.

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• Chinesische Trägerstarts

Der Beitrag China: Shijian 13 alias ChinaSat 16 gestartet erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Roland Rischer. Quelle: ESA, DLR.

Dass es von im Weltraum positionierten Satelliten nur selten Aufnahmen gibt, werden viele Raumfahrt-Enthusiasten bedauern. Satelliten und Sonden haben oft eine filigrane Ästhetik, die mit Bildern aus der Startvorbereitungsphase am Boden kaum zu vermitteln ist. Die volle Pracht entfalten sie erst im Weltraum, richtig ausgeleuchtet vor dem Hintergrund der Erde oder sonstigen Himmelskörpern, wenn alle Solarflügel, Reflektoren und Gitterstrukturen ausgefahren sind und die Arbeit beginnt. Zu jenen Satelliten, die man gerne mal in Aktion gesehen hätte, gehört sicherlich auch GOCE (Abkürzung für Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer). In niedriger Umlaufbahn über der Erde, mit bautechnischen Zugeständnissen an die hier nicht ganz zu vernachlässigende äußert dünne Restatmosphäre und angetrieben von einem Ionentriebwerk, wirkt der Forschungssatellit auf künstlerischen Impressionen wie ein aus einem Science Fiction-Film entsprungenes Raumschiff im Anflug auf die Erde.

Einen solchen Anflug wird es aber nicht geben. Es wird nach Lage der Dinge noch nicht einmal einen halbwegs kontrollierten Absturz geben. Dem 2009 gestarteten GOCE wird voraussichtlich Mitte Oktober 2013 der Treibstoff ausgehen. Die ursprünglich vorgesehene Missionsdauer von 20 Monaten hat sich damit mehr als verdoppelt. Ohne Treibstoff kann der Satellit nicht mehr die Bremswirkung der Gasmoleküle im gegenwärtigen Arbeitsorbit in rund 230 Kilometer Höhe kompensieren. Für den Antrieb hat GOCE ein Ionen-Triebwerk an Bord, das mit Xenon arbeitet. Etwa Mitte Oktober dürfte der letzte Rest von ursprünglich 40 Kilogramm Xenon verbraucht sein. Der Satellit wird zunächst langsam seinen Orbit verlassen, mit zunehmenden Reibungswiderstand aber immer schneller sinken. Die ESA rechnet etwa drei Wochen nach dem Aus des Triebwerks mit dem Absturz.

GOCE wird zwar zum größten Teil in der Erdatmosphäre verglühen, einige Teile können jedoch die Oberfläche erreichen. Das können durchaus 25 Prozent der Satelliten-Masse von etwas über 1.000 Kilogramm sein. Wann und wo die Reste von GOCE niedergehen, kann die ESA gegenwärtig nicht voraussagen. Das wird erst kurz vor dem Wiedereintritt mit akzeptabler Fehlertoleranz möglich sein. Auch wenn die Wahrscheinlichkeit einer Gefährdung von Menschen niedrig ist, sind die nationalen Raumfahrtbehörden weltweit inzwischen über das Inter-Agency Space Debris Coordination Committee in die Beobachtung von GOCE eingebunden. Die ESA behält über ihr Space Debris Office die Federführung bei der Erstellung von Wiedereintrittsprognosen und Risikoabschätzungen für die betroffenen Regionen.

Es bleibt zu hoffen, dass das offensichtlich kaum kontrollierbare Ende von GOCE eine unspektakuläre Randnotiz in der Geschichte dieser Erfolgsmission bleibt. Der Satellit hat nicht nur ein detailgenaues Bild vom Schwerefeld der Erde geliefert. Erstmals wurde die Oberflächenzirkulation der Weltmeere mit einem einheitlichen Ansatz analysiert. Das aus GOCE-Daten errechnete Geoid, ein an eine Kartoffel erinnerndes Schwereabbild der Erde, dient unter anderem als hypothetischer Meeresspiegel im Ruhezustand. Dadurch wurden erstmals Meeresspiegeländerungen beispielsweise im Mittelmeer und vor Australien vergleichbar.

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• GOCE mit Rockot

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: NASA/JPL.

Die derzeit tief im Asteroidengürtel operierende Sonde hat die wie DAWN ebenfalls mit Ionenantrieb ausgestattete bisherige Rekordhalterin Deep Space 1 am 5. Juni 2010 entthront, als das über den Missionsverlauf kumulierte Delta-v 4,3 Kilometer pro Sekunde (15.480 Stundenkilometer) überschritt. In Delta-v steht das v für Velocity (Geschwindigkeit) und Delta bezeichnet den Unterschied. DAWN kann ihre Geschwindigkeit innerhalb von 12 Tagen um über 290 Stundenkilometer steigern.

Die von einem Raumfahrzeug aktiv leistbare kumulierte Geschwindigkeitsänderung ist ein Maß für die Fähigkeit des Vehikels, die Flugbahn mit eigenem Antrieb zu beeinflussen und Richtungsänderungen vorzunehmen. Beim hier hergestellten Vergleich werden alle von den Raumfahrzeugen erzeugten Geschwindigkeitsänderungen ab der Abtrennung von der letzten Trägerraketenstufe betrachtet.

Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung des Berichts des JPL haben die drei Ionentriebwerke des Typs NSTAR an Bord von DAWN zusammen insgesamt 620 Tage gearbeitet. Dabei wurden weniger als 165 Kilogramm Xenon des zu Beginn des Flugs der Sonde 425 Kilogramm umfassenden Vorrats verbraucht. Im Verlauf der mindestens acht Jahre dauernden Mission werden die Triebwerke vermutlich auf zusammen mehr als 2.000 Betriebstage, umgerechnet rund fünfeinhalb Jahre, kommen, und eine kumulierte Geschwindigkeitsänderung von über 10,73 Kilometer pro Sekunde, das sind 38.620 Stundenkilometer, verursacht haben.

Hat DAWN ihre Aufgaben, Anflug und Untersuchung des Asteroiden Vesta und des Zwergplaneten Ceres, schließlich wie vorgesehen erfüllt, wird sie längst auch zum Raumfahrzeug mit der längsten ununterbrochenen Antriebsphase geworden sein. Dies könnte bereits um den 10. August 2010 geschehen, wenn die Motore der Sonde weiter wie geplant arbeiten.

DAWN war am 27. September 2007 auf einer Delta-II-Rakete in den Weltraum gebracht worden und wird voraussichtlich in etwas mehr als 400 Tagen ihr erstes Ziel, Vesta, erreichen.

Raumcon:

• Mission DAWN

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Erstellt von Axel Orth. Quelle: Planetary Society. Vertont von Dominik Mayer.

Wochenlang war es nur ein schwaches Trägersignal, das von Hayabusa empfangen wurde. Mittlerweile besteht nun wieder ein, wenn auch langsamer, regulärer Funkkontakt und erlaubt es, den Zustand an Bord der Sonde festzustellen. Das Team arbeitet daran, die Kommunikation über die Hochgeschwindigkeitsantenne wieder herzustellen.

Am 6. März war es erstmals seit drei Monaten wieder möglich, die aktuelle Position und Geschwindigkeit der Sonde sowie ihre Orientierung im Raum festzustellen. Demnach befindet sie sich derzeit in etwa 13.000 Kilometern Entfernung vom Zielasteroiden „Itokawa“ (nach Weltraummaßstäben also immer noch in unmittelbarer Nähe) und mit Itokawa zusammen im selben Orbit um die Sonne, allerdings auf der anderen Seite der Sonne, von der Erde aus gesehen.

In einer Pressekonferenz vor einigen Tagen gab Projektleiter Jun’ichiro Kawaguchi Auskunft über den aktuellen Zustand der Sonde. Besonders viele gute Nachrichten hatte er nicht.

So muss etwa Hayabusa seit dem Abriss der Kommunikation im Dezember von ihrem eigenen, durch Lecks ausströmenden chemischen Treibstoff völlig unkontrolliert im Raum umher gewirbelt worden sein: Als die Sonde „wiedergefunden“ wurde, hatte sich ihre Lage im Raum seit Dezember um fast 90 Grad geändert, die Hochgewinnantenne war um 70 Grad von der Erde abgewandt. Die Rotation hat sich von 1 Grad pro Sekunde auf minus 7 Grad pro Sekunde geändert. Also rotierte sie siebenmal so schnell wie vorher und auch noch mit umgekehrter Drehrichtung.

Durch die fehlende Ausrichtung der Sonnenpaneele muss es noch mehrmals zum totalen Stromausfall an Bord der Sonde gekommen sein und damit auch zum Verlust der bei den Landungen im Dezember aufgezeichneten Daten. Die entscheidende Frage, ob Hayabusa nun wenigstens einige Körnchen Asteroidenstaub aufgesammelt hat oder nicht, kann jetzt nur noch nach einer erfolgreichen Rückkehr zur Erde durch eine eingehende Untersuchung des Probensammelsystems beantwortet werden. Das Missionsteam der nur ca. 100 Millionen Dollar teuren Mission hat sich zwar als ungewöhnlich zäh erwiesen und zeigt noch immer keine Anzeichen, aufzugeben. Aber ob ihm nach allem, was passiert ist, eine solche Leistung noch gelingen kann, scheint doch fraglich. Als weitere Hiobsbotschaft wurde jetzt noch bekannt, dass nach den mehrfachen Tiefentladungen der Bordbatterie laut den Telemetriedaten nun erste Kurzschlusserscheinungen in einzelnen Zellen aufzutreten scheinen und die Batterie somit über kurz oder lang nicht mehr nutzbar sein dürfte. Beim Versuch, sie zu laden, besteht laut Kawaguchi sogar Explosionsgefahr. Damit kann Hayabusa aber nur noch bei einigermaßen korrekter Ausrichtung der Solarzellen zur Sonne operieren.

Immerhin scheint nun der chemische Treibstoff, dessen Lecks das Malheur überhaupt erst verursacht haben, vollständig aus den Tanks ausgetreten zu sein. Reste des Treibstoffs könnten aber in das Innere der Sonde eingedrungen sein und ihren Betrieb stören. Daher ist als Nächstes eine Phase des „Ausschwitzens“ geplant, in der durch Einschalten aller Heizgeräte diese Treibstoffreste verdampft werden sollen. Danach kann man daran denken, die Heimreise zur Erde mit dem noch voll funktionstüchtigen Ionentriebwerk zu planen. Die Sonde verfügt noch über 42 bis 44 Kilogramm Xenon-Gas, was laut Kawaguchi zur Heimkehr im Jahre 2010 reichen soll, selbst den Verbrauch durch das Notbehelfs-Lageregelungssystem auf Xenonbasis als Ersatz für die beiden ausgefallenen regulären Lageregelungssysteme eingerechnet.

Der Beitrag Neues von Hayabusa erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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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Ein Beitrag von Michael Stein. Quelle: ESA.

Mittlerweile hat die kleine Raumsonde mehr als 150 Erdumkreisungen absolviert und entfernt sich auf spiralförmigen Bahnen stetig immer weiter von der Erde. Der erdnächste Punkt der stark elliptischen Umlaufbahn von SMART-1 ist durch den Einsatz des Ionen-Triebwerks seit dem Start Ende September von anfänglichen 656 auf mittlerweile 8.097 Kilometer über dem Erdboden angehoben worden, parallel dazu hat sich die Dauer eines Umlaufs um fast fünf Stunden auf 16 Stunden und 11 Minuten verlängert. Die Geschwindigkeit der Raumsonde konnte um annähernd 2.700 km/h gesteigert werden, und diese in der Summe beeindruckenden Ergebnisse sind mit gerade einmal 16,7 Kilogramm Xenon-Treibstoff erreicht worden! Eben diese Genügsamkeit des mit Sonnenenergie und dem Edelgas Xenon betriebenen Ionen-Triebwerks gegenüber konventionellen Triebwerken, die mit chemischen Treibstoffen arbeiten, ist eine der attraktivsten Eigenschaften dieses neuartigen Triebwerktyps.

Auch die in der Vergangenheit – vor allem während der Phase heftigster Sonnenstürme Ende Oktober bis Anfang November – aufgetretenen „Flame-Outs“ sind nun schon seit mehreren Wochen nicht mehr beobachtet worden. Bei diesen Ereignissen handelt es sich um ungeplante Abschaltungen des Ionen-Triebwerks, die nach Erkenntnissen der Missionsspezialisten beim European Space Operations Centre (ESOC) in Darmstadt durch Datenfehler in der Steuerelektronik des Triebwerks verursacht worden sind: höchstwahrscheinlich eine Folge der extremen Belastungen, denen die Bordelektronik aufgrund der heftigen Sonnenstürme ausgesetzt war.

In der vergangenen Woche ist ein Software-Update zur Raumsonde übermittelt worden, das in Zukunft bei derartigen ungewollten Abschaltungen des Ionen-Triebwerks für eine automatische Neuzündung sorgen soll. Als Konsequenz dieses Updates wird das Triebwerk ab sofort auch dann aktiviert bleiben, wenn SMART-1 in Bereiche des Van Allen-Strahlungsgürtels unterhalb von 10.000 Kilometer Flughöhe eintaucht, wo die Belastung durch geladene Teilchen – und damit auch die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten dieser Flame-Outs – besonders hoch ist. Dieser nunmehr möglich „Dauerbetrieb“ wird dafür sorgen, dass die Raumsonde die gefährlichen Bereiche des Van Allen-Strahlungsgürtels schneller hinter sich läßt.
Wie schon in den Wochen zuvor liegt die Schubleistung des Ionen-Triebwerks immer noch um gut ein Prozent über den Werten, die aufgrund der Tests vor dem Start erwartet worden waren: Alles in allem verläuft der Einsatz dieses neuen Triebwerktyps unter realen Bedingungen bisher sehr vielversprechend.

In den letzten drei Wochen ist die elektrische Leistung der beiden Solarpaneele von SMART-1 nicht mehr weiter zurückgegangen. Wie vor dem Start erwartet setzte die Strahlenbelastung des Van Allen-Gürtels den Solarzellen spürbar zu und sorgte dafür, dass die Energieproduktion der beiden Solarpaneele zunächst um insgesamt etwa 80 Watt sank. Das dieser Effekt mittlerweile zum Stillstand gekommen ist liegt an der sich ständig verringernden Entfernung der Erde zur Sonne, die auf ihrer leicht elliptischen Umlaufbahn den sonnennächsten Punkt am 3. Januar erreichen wird. Zumindest bis dahin werden die Schädigungen der Solarzellen im Strahlungsgürtel durch die intensiver werdende Sonneneinstrahlung kompensiert.
Auch die extrem starken Sonnenstürme haben ihren Teil zur Schädigung der Solarzellen beigetragen, dass seit einigen Wochen ruhigere „Sonnenwetter“ macht sich insofern ebenfalls positiv bemerkbar. Die Effekte des Van Allen-Gürtels auf die Solarzellen sind jedoch bei der Konstruktion von SMART-1 berücksichtigt worden, so dass die Solarpaneele der Raumsonde auch nach Verlassen dieser Region immer noch ausreichend Energie produzieren werden, um den Ionen-Antrieb mit voller Kraft laufen zu lassen.

In den letzten Tagen ist mehrmals die Synchronisation der Zeitgeber im Haupcomputer der Sonde sowie in den so genannten Star Trackern verloren gegangen. Nach der Ursache für diesen Fehler wird zur Zeit von den Missionsspezialisten und Ingenieuren in Darmstadt geforscht, ein Risiko für den Missionsverlauf stellt dieses Problem jedoch nicht dar. Der Grund für leicht erhöhte Temperaturwerte in einem der beiden Star Tracker – einer kleinen Kamera zur Aufnahme von Sternenbildern, die für die Navigation verwendet werden – konnte durch eine Lageveränderung von SMART-1 geklärt werden: Offensichtlich werden die zeitweise gemessenen zu hohen Temperaturen in diesem Instrument durch Sonneneinstrahlung hervorgerufen, denn die Temperaturwerte änderten sich an beiden Star Trackern parallel zur Lageveränderung der Raumsonde. Mit diesem Wissen können die Flugingenieure in Zukunft die Temperatur dieser Instrumente kontrolliert je nach Notwendigkeit verändern, um die Funktionsfähigkeit der Star Tracker sicherzustellen.

Das Ionen-Triebwerk von SMART-1 wird voraussichtlich noch bis Ende Januar im Dauerbetrieb arbeiten, bevor es aus navigatorischen Gründen für drei Wochen ausgeschaltet werden wird. Diese Zeit wird dann für die Kommissionierung (d.h. Überprüfung) der wissenschaftlichen Instrumente an Bord der Raumsonde genutzt werden.

Der Beitrag SMART-1-Ionenantrieb durchbricht Schallgrenze 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“.

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