Ionenantrieb

Fliegen wir mit einem Ionenantrieb zum Mars?

Etwas, was auf der Erde noch zu wünschen übrig lässt , funktioniert im Weltall schon recht gut – der Umstieg auf elektrische Antriebe. Während in Deutschland eine ernüchternde Studie nach der anderen kommt, feiert der Ionenantrieb bei Raumfahrzeugen seinen Durchbruch.

Funktionsweise

Die Funktionsweise eines elektrischen Antriebs, auch Ionenantrieb gennnat, im All ist recht simpel. Ein Strahl von geladenen Teilchen wird zur Generierung des Rückstoßes genutzt. Atome bestehen aus positiv geladenen Protonen und negativ geladenen Elektronen. Sind von beiden gleich viele vorhanden, ist das Atom neutral und nicht geladen, ist eine der beiden Komponenten in der Überzahl, ist das Atom entweder positiv oder negativ geladen, man spricht von Ionen. So werden in einem elektrischen Antrieb Gasteilchen die Elektronen „weggenommen“ und sie werden so elektrisch geladen (ionisiert). Diese Ionen werden dann durch ein elektrisches Feld beschleunigt, die Elektronen werden umgeleitet und den beschleunigten Ionen wieder zugefügt, dabei werden sie wieder neutral und in Form eines Strahls nach hinten weggestoßen.

Bei der Wiedervereinigung von Ion und Elektron (Neutralisierung) entsteht ein charakteristisches bläuliches Leuchten, wodurch man elektrische Antriebe recht gut erkennen kann. Je nach Art der Energiegewinnung für das elektrische Feld gibt es solarelektrische Antriebe, bei denen Solarkollektoren am Raumschiff die Energie erzeugen und nuklearelektrische Antriebe, die Kernspaltung nutzen, derzeit aber noch eine Vision sind.

Geschichte des Ionenantriebes

Die Idee, sich mit Elektroantrieb im All fortzubewegen ist älter als die Raumfahrt selbst. Der Raumfahrtpionier Hermann Oberth beschrieb den Ionenantrieb bereits in seinem 1923 erschienenem Buch „Die Rakete zu den Planetenräumen“ und der späteren Überarbeitung „Wege zur Raumschifffahrt“, in denen er die postulierte, dass es möglich sei, Maschinen zu bauen die über die Atmosphäre hinaus fliegen könnten und dabei womöglich sogar so weit flögen, dass sie nicht auf die Erde zurückkehrten. Das Buch wurde zunächst als Utopie abgetan. Man war sich recht sicher, dass es niemals möglich sei, Maschinen oder gar Menschen über die Atmosphäre hinaus zu befördern. Noch 1936 titelte die New York Times: „Eine Rakete wird niemals die Erdatmosphäre verlassen können.“ Acht Jahre später erreichte die erste menschengemachte Rakete das All. Erst in den 60er Jahren gab es jedoch erste Prototypen eines elektrischen Antriebes.

Begrenzte Einsatzöglichkeiten

Heutzutage sind elektrische Antriebe weit verbreitet. So hat Japan bei ihren Hayabusa-Raumsonden, die mit einem elektrischen Antrieb zu einem Asteroiden flogen, große technische Erfolge erreicht. Auch Dawn, eine NASA-Raumsonde die den Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter erforschte nutzte einen solarelektrischen Antrieb. Da der tatsächliche Schub eines solchen Antriebes unglaublich gering ist, sie aber viel effizienter sind, lässt er sich derzeit nur sehr beschränkt einsetzen, doch in Zukunft wird sich das ändern. Gleich mehrere unbemannte Raumsonden mit elektrischem Antrieb befinden sich in der Bauphase und werden weiter fliegen, als es je ein elektrischer Antrieb tat. Zudem zeichnet sich auch in der bemannten Raumfahrt ein Durchbruch ab.

Satelliten, der Mond und der Mars

Zunächst wird der elektrische Antrieb in den nächsten Jahren das Satellitengeschäft erobern. Dafür sind sie perfekt geeignet, denn sie sind sehr effizient, setzen die Masse des Treibstoffs also in einem sehr guten Verhältnis in Rückstoß um. Um Bahnen geringfügig zu verändern oder stabil zu halten sind elektrische Antriebe somit die perfekte Lösung. Auch Investoren und kommerzielle Anbieter haben das bereits bemerkt. In drei Jahren wird es dann ernst werden, denn dann wird der Ionenantrieb seinen ersten Auftritt in der bemannten Raumfahrt haben, nämlich in der Kolonisierung des Mondes.

Dafür möchte die NASA 2022 eine Orbitalstation in der Mondumlaufbahn errichten, die bis zu vier Raumfahrer bis zu sechs Monate lang beherbergen soll, das Lunar Gateway. Von dort aus sollen dann Menschen auch mit einer Landefähre auf die Oberfläche kommen. Der Orbit, den man für die Raumstation gewählt hat, hat zwar viele Vorteile, ist jedoch instabil, sodass die Raumstation ihn mit einem eigenen Antrieb hin und wieder korrigieren muss. Dafür ist der Ionenantrieb perfekt geeignet. So wird die Raumstation ein Antriebsmodul haben, welches mit einem elektrischen Triebwerk ausgestattet ist. Die Energie wird es aus den an der Station befestigten Solarpaneelen gewinnen.

Der konkrete Bauauftrag für das Modul ist bereits an die Firma Maxar vergeben worden, 2022 soll es gestartet werden. Und auch für spätere Schritte der bemannten Eroberung des Weltraums könnte der elektrische Antrieb geeignet sein, etwa für den Mars. Zwar wird man vermutlich nicht direkt Astronauten mit einem Ionenantrieb zum Mars bringen, dies würde wegen des geringen Schubes zu lange dauern, aber die Versorgung künftiger Kolonien ließe sich mit elektrischen Antrieben am kostengünstigsten und effizientesten lösen.

Zu Asteroiden, zum Jupiter und darüber hinaus

Auch in der unbemannten Raumfahrt zeichnet sich etwas ab. So sind mehrere Forschungsmissionen mit Ionenantrieb geplant, die bis ins äußere Sonnensystem fliegen sollen. So weit sind elektrische Antriebe noch nie geflogen. 2021 wird ein elektrischer Antrieb zunächst im Double Asteroid Redirect Test einen Forschungssonde zu einem Doppelasteroiden führen. Sie soll erstmals die Möglichkeit einer Umlenkung eines Asteroiden überprüfen. 2022 soll dann die Raumsonde Psyche mit einem Ionentriebwerk vermutlich zum Eisenkern eines ehemaligen Protoplaneten fliegen. Dort soll sie offene Fragen zur Planetenbildung klären. Sollten diese Missionen und im selben Jahr der Start des Antriebsmoduls des Lunar Gateways erfolgreich laufen, ist die Zeit reif für das nächste Technologielevel beim Ionenantrieb.

Mit Atomantrieb in die Tiefen des Alls

Wegen der hohen Effizienz des Ionenantriebs und der treibstoffsparenden Technologie, verspricht der Ionenantrieb auch Reisen in die Tiefen des Alls, zum Uranus, zum Neptun und noch darüber hinaus. Doch dort genügt die Sonnenstrahlung nicht mehr, um mit Solarkollektoren einen Ionenantrieb laufen zu lassen. Man bräuchte also eine andere Energiequelle für das elektrische Feld, die Kernspaltung. Damit ließen sich deutlich höhere Energien erreichen und Ionenantriebe würden auch in großer Entfernung zur Sonne funktionieren. Kleine Nuklearreaktoren an Bord werden die Energie für die Raumsonde liefern. Nuklearantriebe werden eine neue Ära in der Erforschung des Alls eröffnen. Doch derzeit ist das noch eine Vision, der Antrieb befindet sich in der Erprobung.

Ionenantriebe für bemannte Raumschiffe und eine Mission zum Uranus

In näherer Zukunft könnten andere Projekte liegen. So ist es nicht besonders aussichtsreich, bemannte Raumschiffe mit Ionenantrieben auszustatten. Zu lange Flugzeiten wären die Folge. Doch die NASA untersucht die Möglichkeit von Hybridantrieben. So gibt es etwa das Deep Space Transport. Derzeit ist dies die einzige Konzeptstudie zu einem Raumschiff, mit dem Menschen zum Mars fliegen könnten. Es würde mit einer Kombination aus chemischen und elektrischen Antrieb fliegen. Auch ein Hybridantrieb ist für die Uranus Orbiter and Probe vorgeschlagen. Diese Sonde soll eine Atmosphärensonde in die Atmosphäre des Uranus eintauchen lassen. Im inneren Sonnensystem soll ein solarelektrischer Antrieb genutzt werden, im äußeren Sonnensystem ein chemischer Antrieb. Mit dieser Kombination wäre eine Flugzeit von nur 10 Jahren möglich. Das ist ein Drittel weniger als vergleichbare Konzepte mit chemischen Antrieb bräuchten.

Wie auch die Zusammenarbeit verschiedener Nationen ist wohl auch der Elektroantrieb eines dieser Dinge, die im All einfach besser funktionieren als auf der Erde.

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