Marathon im Weltall

Ionenantriebe sind die Marathonläufer unter den Raumfahrtantrieben: Sie haben zwar verhältnismäßig wenig Schub und eignen sich – anders als chemische Antriebe – daher nicht für den Transport von Raumsonden oder Satelliten ins All. Dafür gewährleisten sie mit ihrer Ausdauer und Präzision die Manövrierfähigkeit der Raumfahrzeuge im Weltraum. Mithilfe leistungsfähiger Solarzellen für die Energieversorgung der Antriebe können heute Distanzen überwunden werden, die vor wenigen Jahren noch illusorisch schienen. Der LOEWE-Schwerpunkt RITSAT entwickelt und testet neuartige, hochspezialisierte Ionenantriebe.

Und so funktioniert’s

Als Treibstoff dient ein Gas, in der Regel das Edelgas Xenon. Es wird zunächst ionisiert, d.h. ihm werden die negativ geladenen Elektronen entzogen, so dass eine positive Ladung zurückbleibt. Indem das ionisierte Gas in einem elektrischen Feld beschleunigt wird, wird ein Ionenstrahl erzeugt, der mit hoher Geschwindigkeit austritt und für den Vortrieb sorgt.

Bislang ist die Reichweite von ionengetriebenen Raumfahrzeugen durch die „getankte“ Gasmenge begrenzt. RITSAT erforscht deshalb Möglichkeiten, andere Gase für Ionenantriebe nutzbar zu machen. Ionengetriebene Raumfahrzeuge erhielten so die Möglichkeit, bei Eintritt in eine Atmosphäre das dortige Gas – in der Erdatmosphäre unsere Luft – als neuen Brennstoff zu sammeln und für die Rück- oder Weiterreise zu benutzen.

Im Vakuum des Weltalls gibt es keinen Luftwiderstand – und somit weder einen natürlichen Bremseffekt noch dynamischen Auftrieb. Sorgt ein Ionentriebwerk für die Bewegung in eine Richtung, braucht es ein weiteres Triebwerk, das in die entgegengesetzte Richtung weist, um den ursprünglichen Schub zu bremsen. Damit zum Beispiel ein Satellit in alle Richtungen manövrieren kann, sind deshalb bis zu zwölf Ionentriebwerke erforderlich. Die Anzahl reduziert sich, wenn die einzelnen Triebwerke schwenkbar sind.

Weltraumschrott aus dem Orbit „kicken“

Ausgediente Satelliten oder Raketenoberstufen – Schrott im Weltraum stellt zunehmend eine Gefahr für die Raumfahrt dar. Auch hier könnten Ionentriebwerke eingesetzt werden: Denkbar ist, dass sie kontaktlos einen Impuls auf die Objekte übertragen, der sie aus dem Erdorbit stößt. Sie verglühen dadurch kontrolliert in der Atmosphäre oder gelangen auf einen höheren „Friedhofsorbit“.

Nutzen auf der Erde

Die technologischen Anforderungen in der Raumfahrt sind sehr hoch. Die Forschung in diesem Feld trägt daher zu einer Erweiterung des Grundlagenwissens vor allem in der Plasmaphysik bei. Dieses Know-how findet auch in „irdischen“ Disziplinen seine Anwendung: So lässt sich zum Beispiel in der Medizin durch eine Plasmabehandlung die Wundheilung fördern. Und bei der Materialbearbeitung können Ionenquellen zur Oberflächenbeschichtung oder -reinigung genutzt werden, z.B. bei der Produktion von LED-Fernsehern.

Nach LOEWE

Durch die vertraglich vereinbarte Kooperation mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Göttingen und der Firma Airbus ist die Verstetigung der Grundlagenforschung zu Ionenantrieben nach Auslaufen der LOEWE-Förderung gesichert. Im Rahmen kooperativer Promotionsprojekte bleibt die Technische Hochschule Mittelhessen in die Entwicklung elektronischer Komponenten eingebunden.