Eine künstlerische Darstellung eines Raumfahrzeugs mit elektrischem Antrieb (Bildnachweis: NASA)
Raumfahrzeuge mit Elektroantrieb könnten dank neuer Supercomputer-Simulationen bald besser vor ihren eigenen Abgasen geschützt sein.
Der elektrische Antrieb ist eine effizientere Alternative zu herkömmlichen chemischen Raketen und wird immer häufiger bei Weltraummissionen eingesetzt. Den Anfang machten Prototypen auf der Deep Space 1 der NASA und der SMART-1 der Europäischen Weltraumorganisation in den Jahren 1998 bzw. 2003, die später auch bei wissenschaftlichen Vorzeigemissionen wie den Dawn- und Psyche-Missionen der NASA zum Asteroidengürtel zum Einsatz kamen. Es gibt sogar Pläne, die NASA-Raumstation Lunar Gateway elektrisch anzutreiben.
Die Idee hinter dem elektrischen Antrieb ist, dass ein elektrischer Strom Atome eines neutralen Gases wie Xenon oder Krypton, das an Bord eines Raumfahrzeugs gelagert wird, ionisiert (d. h. ein Elektron entfernt). Durch den Ionisierungsprozess entsteht eine Wolke aus Ionen und Elektronen. Anschließend wird durch den so genannten Hall-Effekt ein elektrisches Feld erzeugt, das die Ionen und Elektronen beschleunigt und in eine charakteristische blaue Wolke lenkt, die mit über 60.000 km/h aus dem Raumfahrzeug austritt. Daher wird ein elektrisches Antriebssystem auch als Ionentriebwerk bezeichnet.
Nach dem dritten Bewegungsgesetz von Sir Isaac Newton hat jede Aktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion. Die Ionenfahne, die aus dem Raumfahrzeug austritt, sorgt also für Schub. Es dauert jedoch eine Weile, bis der Impuls aufgebaut ist, denn trotz der hohen Geschwindigkeit ist die Ionenfahne recht spärlich. Der erzeugte Impuls ist nicht so stark wie bei einer chemischen Rakete, aber Ionentriebwerke benötigen weniger Treibstoff und damit weniger Masse, was die Startkosten senkt, und Ionentriebwerke verbrauchen nicht so schnell ihren gesamten Treibstoff wie chemische Raketen.
Ein fortschrittliches elektrisches Antriebssystem, das im Glenn Research Center der NASA getestet wird. (Bildnachweis: NASA/Jef Janis)
Die Energie für die elektromagnetischen Felder wird häufig von Solaranlagen geliefert, weshalb die Technologie manchmal auch als solarer Elektroantrieb bezeichnet wird. Bei Missionen, die weiter von der Sonne entfernt sind, wo das Sonnenlicht schwächer ist, kann jedoch auch Kernenergie in Form von radioisotopischen thermoelektrischen Generatoren (RTGs) zum Antrieb des elektrischen Antriebs verwendet werden.
Obwohl der elektrische Antrieb inzwischen ausgereift ist und bei einer Vielzahl von Missionen eingesetzt wird, ist er keine perfekte Technologie. Ein Problem ist insbesondere, dass die Ionenfahne ein Raumfahrzeug beschädigen kann. Obwohl die Ionenfahne von der Sonde weggerichtet ist, können die Elektronen in der Fahne umgelenkt werden, sich entgegen der Bewegungsrichtung der Fahne bewegen und auf das Raumfahrzeug auftreffen, wodurch Solarzellen, Kommunikationsantennen und andere exponierte Komponenten beschädigt werden. Es genügt zu sagen, dass dies nicht gut für die Sonde ist.
„Für Missionen, die Jahre dauern können, müssen die [elektrischen Antriebs-] Triebwerke über lange Zeiträume hinweg reibungslos und gleichmäßig funktionieren“, sagte Chen Cui von der University of Virginia School of Engineering and Applied Science in einer Erklärung.
Bevor Lösungen zum Schutz eines Raumfahrzeugs vor diesen rückgestreuten Elektronen gefunden werden können, muss zunächst ihr Verhalten in einer Ionentriebwerksfahne verstanden werden, und hier kommen Cui und Joseph Wang von der University of Southern California ins Spiel. Sie haben Supercomputer-Simulationen der Abgase eines Ionentriebwerks durchgeführt und dabei das thermodynamische Verhalten der Elektronen und ihre Auswirkungen auf die allgemeinen Eigenschaften der Abgasfahne modelliert.
„Diese Partikel mögen zwar klein sein, aber ihre Bewegung und Energie spielen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der makroskopischen Dynamik der vom elektrischen Antriebstriebwerk ausgestoßenen Wolke“, so Cui.
Was Cui und Wang herausfanden, war, dass sich die Elektronen in der Wolke je nach Temperatur und Geschwindigkeit unterschiedlich verhalten.
„Die Elektronen sind wie Murmeln, die in einer Röhre verpackt sind“, sagt Cui. „Im Inneren des Strahls sind die Elektronen heiß und bewegen sich schnell. Ihre Temperatur ändert sich nicht sehr, wenn man sich in Strahlrichtung bewegt. Wenn die ‚Murmeln‘ jedoch aus der Mitte der Röhre herausrollen, beginnen sie abzukühlen. Diese Abkühlung erfolgt stärker in einer bestimmten Richtung, nämlich senkrecht zur Strahlrichtung.“
Mit anderen Worten: Die Elektronen im Kern des Strahls, die sich am schnellsten bewegen, haben eine mehr oder weniger konstante Temperatur, aber die Elektronen an der Außenseite kühlen schneller ab, werden langsamer und bewegen sich aus dem Strahl heraus, wobei sie möglicherweise zurückgestreut werden und auf das Raumfahrzeug treffen.
Da die Wissenschaftler nun das Verhalten der Elektronen in der Ionenfahne besser verstehen, können sie dies in die Entwürfe für künftige elektrische Antriebsmotoren einbeziehen und nach Möglichkeiten suchen, die Rückstreuung zu begrenzen oder die Elektronen vielleicht stärker auf den Kern des Strahls zu beschränken. Letztendlich könnte dies dazu beitragen, dass Missionen mit elektrischem Antrieb weiter und länger fliegen können, angetrieben von der sanften blauen Brise der Ionenfahne.
