Mehr Schub im Weltall

THM-Projekt „Camerado“ soll Ionentriebwerke effizienter machen

Es sind spektakuläre Bilder, wenn Raketen ins All starten: Tonnen von Stahl und hochmodernen Verbundwerkstoffen setzen sich vibrierend in Bewegung, in die Höhe gestemmt durch eine kontrollierte Explosion. Die europäische Ariane 5 etwa verfeuert für einen Start 476 Tonnen Festbrennstoff binnen 130 Sekunden und zusätzlich 158 Tonnen Flüssigbrennstoff in den ersten fünf Minuten eines Fluges. Das reicht, um bis zu 16 Tonnen Nutzlast in die Erdatmosphäre zu bringen.

Doch auch die Nutzlast, etwa ein Satellit, muss in der Schwerelosigkeit manövrieren oder die eigene Position korrigieren können. Seit gut 20 Jahren setzt sich dafür eine Technik durch, die eleganter und – worauf es in der Raumfahrt ankommt – effizienter ist: Ionentriebwerke. Prof. Dr. Chris Volkmar vom Fachbereich Elektro- und Informationstechnik der THM und Mitglied der dortigen AG Raumfahrtelektronik arbeitet mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, dem Raketenhersteller ArianeGroup und Prof. Dr. Peter Klar vom I. Physikalischen Institut der Justus-Liebig-Universität im Projekt „Camerado“ daran, eine Variante dieses Triebwerks, das Radiofrequenz-Ionentriebwerke (RIT), noch „alltagstauglicher“ zu gestalten.

Das Wirkprinzip von chemischen Brennstoffen wie beim Raketenstart und von Ionentriebwerken ist das gleiche: Es wird Treibstoff mit hoher Geschwindigkeit aus dem Triebwerk gestoßen, Schub wird durch das Rückstoßprinzip erzeugt. Dass Raketen nicht mit einem sanften Leuchten, sondern auf einem Feuerstrahl starten, liegt einzig daran, dass der von elektrisch geladenen Ionen erzeugte Schub nicht ausreicht, um das enorme Gewicht einer Rakete von den Fesseln der Erdanziehung zu befreien. Dazu braucht es brachiale Gewalt.

In der Schwerelosigkeit ist das anders: Dort kann das Ionentriebwerk seine Stärke ausspielen. Die besteht vor allem im Wirkungsgrad der Treibstoffnutzung: Sie liegt etwa um den Faktor zehn höher als bei chemischen Antrieben. Es muss also weniger Treibstoff in die Höhe gehievt werden – ein Preisvorteil beim Start. Im sich ändernden Satelliten-Markt, weg von tonnenschwerer Spezialtechnik und hin zu handlichen und gegebenenfalls zu Dutzenden oder gleich Hunderten ausgesetzten Satelliten, gewinnt die leichte Technik an Bedeutung. Für Bahn- und Kurskorrekturen sowie neuerdings für kontinuierliche Bahnanhebungen ist sie ebenso gemacht, wie für lange Missionen in die Tiefen des Sonnensystems.

Um Schub zu erzeugen, ionisiert das RIT den gasförmigen Treibstoff mittels Einkopplung hochfrequenter elektrischer Wechselfelder. Diese erzeugt ein sogenannter Radiofrequenz-Generator (RFG), der im Fokus des Projektes „Camerado“ steht. „Stand der Technik sind dabei Halbbrücken-Wechselrichter, die kostenintensive analoge oder digitale Schaltungskomponenten erfordern“, erklärt Volkmar. Weil diese Komponenten störempfindlich sind, seien komplizierte Abschirm-Mechanismen nötig, etwa ein strahlungsresistentes Gehäuse. „Der Trend geht aber gerade weg von Spezialtechnik, hin zu Teilen auf industriellem Standard“, sagt der Forscher. Solch ein Vorgehen könne sich lohnen, ergänzt sein wissenschaftlicher Mitarbeiter Christian Rößler: Etwa wenn eine Mission nicht auf Langlebigkeit ausgelegt sei. Dann könne eingesetzte Industrieware den finalen Preis einer Mission deutlich drücken. Und der Radiofrequenz-Generator gilt im Radiofrequenz-Ionentriebwerke als entscheidender Kostenfaktor. Also als ideale Stellschraube.

Der RFG wandelt die von den Solarzellen des Satelliten gelieferte Gleichspannung in eine Wechselspannung um, mit der das eigentliche Triebwerk betrieben wird. Entscheidend ist ein hoher elektrischer Wirkungsgrad, um Umwandlungsverluste zu minimieren und so jeden gefangenen Sonnenstrahl nutzbar zu machen. Dazu soll im Projekt der Einsatz eines Klasse-E-Verstärkers untersucht, störsicher aufgebaut und mit der derzeit verwendeten Halbbrücken -Technologie verglichen werden.

Der Verstärker, dessen Schaltprinzip etwa auch in Funk- und Radioverstärkern höchster Effizienz zum Einsatz kommt, wird ungeregelt betrieben und erfordert daher keine aufwändige Steuerelektronik. So soll das Bauteil weniger anfällig für Störungen sein. Weiterhin ist der Bauteilaufwand gegenüber der Halbbrücke deutlich reduziert, was sich positiv auf die Komplexität und somit die Kosten des Systems auswirken soll.

Das Projekt wird durch das Programm „Forschung für die Praxis“ des Landes Hessen für ein Jahr mit knapp 40.000 Euro gefördert.

Foto: THM