Die NASA hat eine fortschrittliche Antriebstechnologie entwickelt, die künftige Missionen zur Erforschung der Planeten mit kleinen Raumfahrzeugen erleichtern soll. Diese Technologie wird nicht nur neue Arten von Planetenforschungsmissionen ermöglichen, sondern einer der kommerziellen Partner der NASA bereitet sich bereits darauf vor, sie für einen anderen Zweck zu nutzen – die Verlängerung der Lebensdauer von Raumfahrzeugen, die sich bereits in der Umlaufbahn befinden. Eine Pressemitteilung der NASA.
Quelle: NASA
Die Identifizierung von Möglichkeiten für die Industrie, diese neue Technologie zu nutzen, bringt nicht nur das Ziel der Kommerzialisierung von Technologien der NASA voran, sondern könnte auch einen Weg für die NASA schaffen, diese wichtige Technologie von der Industrie zu erwerben, um sie bei künftigen Planetenmissionen einzusetzen.
Die neue Technologie
Bild: NASA
Für planetarische Forschungsmissionen mit kleinen Raumfahrzeugen werden anspruchsvolle Antriebsmanöver erforderlich sein, wie z. B. das Erreichen planetarer Fluchtgeschwindigkeiten, das Erreichen einer Umlaufbahn und vieles mehr, die eine Geschwindigkeitsänderung (Delta-v) erfordern, die weit über den typischen kommerziellen Bedarf und den aktuellen Stand der Technik hinausgeht. Daher ist die wichtigste Technologie für diese kleinen Raumfahrzeugmissionen ein elektrisches Antriebssystem, das diese Manöver mit hohen Delta-v-Werten ausführen kann. Das Antriebssystem muss mit geringer Leistung (unter einem Kilowatt) arbeiten und einen hohen Treibstoffdurchsatz aufweisen (d. h. die Fähigkeit, eine hohe Gesamtmasse an Treibstoff über die gesamte Lebensdauer zu verwenden), um den für die Durchführung dieser Manöver erforderlichen Impuls zu ermöglichen.
Nach vielen Jahren der Forschung und Entwicklung haben die Forscher des Glenn Research Center (GRC) der NASA ein kleines elektrisches Antriebssystem für Raumfahrzeuge entwickelt, das diese Anforderungen erfüllt – das Sub-Kilowatt-Hall-Effekt-Triebwerk NASA-H71M. Darüber hinaus wird die erfolgreiche Kommerzialisierung dieses neuen Triebwerks bald mindestens eine derartige Lösung für die nächste Generation kleiner wissenschaftlicher Raumfahrzeugmissionen bieten, die ein Delta-v von bis zu erstaunlichen 8 km/s benötigen. Diese technische Meisterleistung wurde durch die Miniaturisierung vieler fortschrittlicher solar-elektrischer Hochleistungstechnologien erreicht, die im letzten Jahrzehnt für Anwendungen wie das Power and Propulsion Element von Gateway, der ersten Raumstation der Menschheit um den Mond, entwickelt wurden.
Vorteile dieser Technologie für die Erforschung der Planeten
Kleine Raumfahrzeuge, die die elektrische Antriebstechnologie NASA-H71M nutzen, werden in der Lage sein, eigenständig von der erdnahen Umlaufbahn (LEO) zum Mond oder sogar von einer geosynchronen Transferbahn (GTO) zum Mars zu manövrieren. Diese Fähigkeit ist besonders bemerkenswert, da kommerzielle Starts in den LEO und GTO zur Routine geworden sind und die überschüssigen Startkapazitäten solcher Missionen oft zu niedrigen Kosten verkauft werden, um sekundäre Raumfahrzeuge zu transportieren. Die Fähigkeit, Missionen von diesen erdnahen Umlaufbahnen aus zu starten, kann die Kadenz von Mond- und Marsforschungsmissionen deutlich erhöhen und die Kosten senken.
Bild: NASA
Diese Antriebsmöglichkeit wird auch die Reichweite von Sekundärnutzlasten erhöhen, die bisher auf wissenschaftliche Ziele beschränkt waren, die mit der Startbahn der Hauptmission übereinstimmen. Diese neue Technologie wird es den sekundären Missionen ermöglichen, erheblich von der Flugbahn der primären Mission abzuweichen, was die Erkundung eines breiteren Spektrums wissenschaftlicher Ziele erleichtern wird.
Darüber hinaus haben diese sekundären wissenschaftlichen Missionen in der Regel nur eine kurze Zeitspanne, um Daten während eines Hochgeschwindigkeitsvorbeiflugs an einem entfernten Körper zu sammeln. Diese größere Antriebskapazität wird eine Abbremsung und einen Orbitaleintritt bei Planetoiden für langfristige wissenschaftliche Studien ermöglichen.
Darüber hinaus sind kleine Raumfahrzeuge, die mit einer derartigen Antriebskapazität ausgestattet sind, besser in der Lage, Änderungen der Startflugbahn der Hauptmission in der Spätphase zu bewältigen. Solche Änderungen sind häufig ein großes Risiko für kleine wissenschaftliche Raumsonden mit begrenzten Antriebsmöglichkeiten an Bord, die von der ursprünglichen Startbahn abhängig sind, um ihr wissenschaftliches Ziel zu erreichen.
Kommerzielle Anwendungen
Die Megakonstellationen von kleinen Raumfahrzeugen, die sich jetzt in erdnahen Umlaufbahnen bilden, haben Hall-Effekt-Triebwerke mit geringer Leistung zum häufigsten elektrischen Antriebssystem gemacht, das heute im Weltraum eingesetzt wird. Diese Systeme nutzen den Treibstoff sehr effizient, was den Eintritt in die Umlaufbahn, den Abstieg aus der Umlaufbahn und viele Jahre lang die Vermeidung von Kollisionen und das Repositionieren ermöglicht. Das kostenbewusste Design dieser kommerziellen elektrischen Antriebssysteme hat jedoch zwangsläufig ihre Lebensdauer auf typischerweise weniger als ein paar tausend Betriebsstunden begrenzt, und diese Systeme können nur etwa 10 % oder weniger der ursprünglichen Masse eines kleinen Raumfahrzeugs an Treibstoff verarbeiten.
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Im Gegensatz dazu könnten Planetenforschungsmissionen, die von der Technologie des elektrischen Antriebssystems NASA-H71M profitieren, 15.000 Stunden lang betrieben werden und über 30 % der ursprünglichen Masse des kleinen Raumfahrzeugs an Treibstoff verarbeiten. Diese bahnbrechende Fähigkeit geht weit über den Bedarf der meisten kommerziellen LEO-Missionen hinaus und ist mit einem Kostenaufschlag verbunden, der eine Kommerzialisierung für solche Anwendungen unwahrscheinlich macht. Daher suchte und sucht die NASA Partnerschaften mit Unternehmen, die innovative kommerzielle Konzepte für kleine Raumfahrzeugmissionen mit ungewöhnlich hohem Treibstoffbedarf entwickeln.
Ein Partner, der die von der NASA lizenzierte elektrische Antriebstechnologie bald in einer kommerziellen Anwendung für kleine Raumfahrzeuge einsetzen wird, ist SpaceLogistics, eine hundertprozentige Tochtergesellschaft von Northrop Grumman. Das MEP-Satellitenfahrzeug (Mission Extension Pod) ist mit einem Paar Northrop Grumman NGHT-1X-Halleffekt-Triebwerken ausgestattet, deren Design auf dem NASA-H71M basiert. Die große Antriebskapazität des kleinen Raumfahrzeugs wird es ihm ermöglichen, die geosynchrone Erdumlaufbahn (GEO) zu erreichen, wo es an einen weitaus größeren Satelliten angekoppelt werden soll. Nach seiner Installation wird der MEP als „Antriebs-Jetpack“ dienen, um die Lebensdauer seines Wirts-Satelliten um mindestens sechs Jahre zu verlängern.
Northrop Grumman führt derzeit einen Langzeit-Verschleißtest (LDWT) des NGHT-1X in der GRC-Vakuumanlage 11 durch, um seine volle Betriebsfähigkeit über die gesamte Lebensdauer nachzuweisen. Der LDWT wird von Northrop Grumman im Rahmen eines vollständig rückzahlbaren Space Act Agreements finanziert. Die ersten MEP-Satelliten sollen im Jahr 2025 starten und die Lebensdauer von drei GEO-Kommunikationssatelliten verlängern.
Die Zusammenarbeit mit der US-Industrie bei der Suche nach Anwendungen für kleine Raumfahrzeuge mit ähnlichen Antriebsanforderungen wie bei künftigen NASA-Planetenforschungsmissionen unterstützt nicht nur die US-Industrie dabei, weltweit führend bei kommerziellen Raumfahrtsystemen zu bleiben, sondern schafft auch neue kommerzielle Möglichkeiten für die NASA, diese wichtigen Technologien zu erwerben, wenn sie für Planetenmissionen benötigt werden.
Die NASA arbeitet weiter an der Optimierung der elektrischen Antriebstechnologien des H71M, um die Palette der Daten und Unterlagen zu erweitern, die der US-Industrie für die Entwicklung ähnlich fortschrittlicher und leistungsfähiger elektrischer Antriebe mit geringem Stromverbrauch zur Verfügung stehen.
Projektleitung
Dr. Gabriel F. Benavides, NASA Glenn Research Center (GRC)
Sponsoring-Organisationen
- Planetary Science Division – Planetary Exploration Science Technology Office (PESTO)
- Space Operations Mission Directorate – Commercial Space Capabilities Office (CSCO)
- Space Technology Mission Directorate – Game Changing Development (GCD) program
- Space Technology Mission Directorate – Small Spacecraft Technology (SST) program
Übersetzung DeepL.com / Stefan Goth
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