Ionenantrieb

Science-Fiction Fans wissen, dass man für Flüge in Erdnähe ein "Unterlicht"-Ionentriebwerk benutzen würde. Aber ist so ein Antrieb nun Science-Fiction oder Science-Fact?

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.

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.

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.
Ionentriebwerke 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 Aufbau eines Ionentriebwerkes
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. 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.

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...

# raumfahrer.net