Raumfahrt-Thema

Der Ionenantrieb

Wenn es nach Hennig von Bassewitz, Vertriebsleiter für Satellitenantriebe bei DaimlerChrysler Aerospace, geht, werden Ionen in Zukunft Satelliten und Raumfahrzeuge antreiben. Seiner Ansicht nach geht die Zeit der chemischen Antriebe für Raumfahrzeuge langsam zu Ende. Um z.B. Nachrichten- und Kommunikationssatelliten exakt auf ihrer Bahrn zu halten, muß deren Position täglich korrigiert werden. Bisher verferuerten die Satelliten dafür chemische Treibstoffe. Die Satelliten verfügen aber nur über einen begrenzten Treibstoffvorrat - er reicht ca. 10 Jahre. Ist dieser Vorrat erschöpft, so ist der Satellit wertlos.

Im nächsten Jahr will die europäische Weltraumagentur ESA an Bord einer japanischen H2-Trägerrakete einen Satelliten in den weltraum schießen, der mit einem Ionenantrieb ausgestattet ist. Die Ionen sind um einiges leichter als die bisher verwendeten chemischen Substanzen. Ihre Ausstrittsgeschwindigkeit aus der Düse ist ca. zehnmal so hoch wie bei chemischen Treibstoffen, daher liefert jedes Gramm dieses Ionenantriebes zehnmal mehr Energie als ein chemisches Triebwerk.

Das Prinzip des Ionenantriebs ist bereits seit den sechziger Jahren bekannt. Erste Versuche verliefen aber nur mit geringem Erfolg. Der Grund lag darin, daß die Ingenieure Cäsium oder Quecksilberdampf als Ionenquelle benutzten, wodruch die Düsen rasch anfingen zu korrodieren. Erst als man anfing, das Edelgas Xenon als Ionenquelle zu verwenden, bekam man dieses Problem in den Griff.

Ein Ionenantrieb funktioniert im Prinzip recht einfach: In einer Kammer schlägt ein elektrisches Hochfrequenzfeld Elektronen aus dem Edelgas heraus und wandelt die Gasatome dadurch in positiv geladene Ionen um. Auf einer seite der Kammer liegen hintereinander drei Gitter an denen unterschiedlichen Spannungen anliegen. Von ihnen werden die positiv geladenen Edelgasionen angezogen und passieren die Löcher im Gitter mit zunehmender Beschleunigung. Mit einer Geschwindigkeit von 40km/s (entsprechend 140 000km/h) schießt der durch das Gitter scharf gebündelte Ionenstrahl nach draußen. Nach dem Gesetzen der Physik löst jede Kraft eine gleich große Gegenkraft aus. Diese ist es, die den Satelliten in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt. Um zu verhindern, daß sich der Satellit dabei negativ aufläd, werden die Elektronen, die anfangs aus den Edelgasatomen herausgeschlagen wurden, durch einen Neutralisator wieder in den Ionenstrahl hineingegeben. Dort rekombinieren sie wieder mit den Ionen.

Modell eines "Radiofrequency Ion Thruster Assembly" © DASA

Ein Prototyp dieses Triebwerks arbeitete erstmals auf 1992 auf dem europäischen Satelliten Eureka, allerdings gab es schon nach 240 Betiebsstunden seinen Geist auf. Im Satelliten Artemis will die Esa gleich zwei neue Ionenantriebe Testen, die sich in der Produktion der Xenonionen unterscheiden: Beim Rita-Triebewerk erzeugen Radiofrequenzen die Ionen ("Radiofrequency Ion Thruster Assembly"), während im Kaufmann-Triebewerk die Atome einfach solange erhitzt werden, bis die Elektronen durch ihre Wärmebewegung aus den Atomen herausfliegen.

Die Ionen dienen nur als Treibstoff. Die Energie, um sie zu erzeugen und zu beschleunigen muß aus einer anderen Quelle kommen. In Erdnähe würden Solarzellen dafür genügend Strom liefern. Schwieriger wird es, wenn man mit Ionenantriebe ins äußere Sonnensystem vordringen will. Dort müßte man die Energie mit Hilfe von Plutoniumreaktoren erzeugen.

Ein Nachteil der Ionenantriebe ist ihr geringer Schub: mehr als 200 bis 300 mN (Millinewton) sind nach auskunft von Dasa-Ingenieuren nicht drinn. D.h.: trotz hervorangender Energieausbeute ist die Beschleunigung, die mit einem Ionenantrieb erzielt wird, miserable. Daher eignen sich Ionenantriebe vor allem für längere Missionen, wie z.B. für Flüge ins äußere Sonnensysten. Ein Flug zum Pluto, der mit chemischen Antrieb etwa 10 bis 12 Jahre dauern würde, könnte sich mit einen Ionenantrieb um ein paar Jahre verkürzen. Falls sich der Ionenantrieb in der Praxis bewährt, so könnte er auch auf einer bemannten Mars-Mission eingesetzt werden.

Deep Space 1

Die Raumsonde Deep Space 1 (Abk.: DS1) ist Teil des "New-Millenium-Programms" der Nasa, in dem es mehr um das Testen neuer Technologien als um wissenschaftliche Erkenntnisse geht. An Bord befinden sich 12 neue Technologien, von denen der Ionenantrieb und die autonome Navigation nur anhand der Sterne die innovativsten sind. Für den 29. Juli ist ein Vorbeiflug in nur 10km Abstand am Asteroiden 1992 KD vorgesehen, den sie mit einer Miniaturkamera nebst Spektrometer untersuchen soll. Falls DS1 im Jahre 2001 noch funktioniert, ist ein Vorbeiflug an zwei Kometen möglich. DS1 wurde am 24. Oktober 1998 mit einer Delta-Rakete von Cape Canaveral aus gestartet. Der Ionenantrieb wurde am Dienstag, den 10. November 98 zum ersten Mal eingeschaltet. Jedoch schaltete er sich schon nach 4 1/2 Minuten wieder ab. Wiederholte Versuche der Bodenzentrale in Pasadena, den Antrieb wieder in Gang zu bringen, scheiterten. Wie die NASA mitteilte, hätten sich am 10. November auch andere Instrumente automatisch abgeschaltet. Die Nasa vermutet, das dies durch die bisher unerklärliche Auslösung eines Sicherheitsmechanismus an Bord geschehen sein könnte. Zwei Wochen später wurde der Ionenantrieb wieder eingeschaltet und läuft seitdem ohne Probleme. Nach Auskunft des DS1-Chefingenieurs Dr. Marc Rayman, kommt es nicht selten vor, daß sich Ionentirebwerke am Anfang öfters selbst abschalten. Die Ingenieure vermuten, das eine Verunreinigung zwischen zwei unter Hochspannung stehenden Gittern (welche die Ionen beschleunigen sollen, s.o.) zur Selbstabschaltung geführt haben.
Bei voller Leistung verbraucht das Ionentriebwerk von DS1 ca. 2500 Watt Strom und liefert eine Schubkraft von 90 mN, was ungefähr soviel ist, wie das Gewicht eines Blatt Papiers auf der Erde.

Weiterführende Links:

• Das Artemis Programm, ESA
• Deep Space 1 Projekt-Homepage beim JPL
• The New Millenium Program

Zurück zu den Themen
Zurück zur Startseite