Elektrische Antriebe für den zukünftigen Betrieb und Transport im Weltraum rüsten
Um seine vorgesehene Umlaufbahn zu erreichen und seine Position im Weltraum zu halten, muss ein Satellit seine Triebwerke zum Manövrieren einsetzen können. Bisher wurden dazu chemische Antriebssysteme verwendet. Doch das ändert sich nun. Der chemische Antrieb hat zwar den Vorteil, dass ein enormer Schub erzeugt werden kann, der erforderlich ist, um einen Satelliten in die Umlaufbahn zu bringen, aber auch den Nachteil, dass er weniger gut für den Antrieb des Satelliten im Weltraum geeignet ist. Darüber hinaus sind die in chemischen Antriebssystemen verwendeten chemischen Treibstoffe und Speicherstrukturen komplex – und kostspielig. Eine mögliche Alternative bietet ein elektrisches Antriebssystem. Durch das Erreichen eines Schubes mit hohen Austrittsgeschwindigkeiten reduziert ein elektrisches Antriebssystem die für eine bestimmte Anwendung erforderliche Treibstoffmenge. Jedwede Reduzierung der Treibstoffmasse kann die Startmasse eines Raumfahrzeugs oder Satelliten erheblich verringern. Dies wiederum führt dazu, dass kleinere Trägerraketen eingesetzt werden können, um eine gewünschte Masse in eine bestimmte Umlaufbahn oder zu einem bestimmten tiefer im Weltraum gelegenen Ziel zu befördern – insgesamt werden so die Kosten der gesamten Mission gesenkt. Trotz dieses Potenzials verfügt ein elektrisches Antriebssystem weder über die Leistung noch über den Reifegrad, die für eine breite Nutzung erforderlich sind. Eine Ausnahme bildet die Hallantriebstechnik, die im Mittelpunkt des EU-finanzierten Projekts CHEOPS (Consortium for Hall Effect Orbital Propulsion System) steht. „In Sachen Schubdichte kommt nichts an die Hallantriebstechnik heran“, so Idris Habbassi, CHEOPS-Projektkoordinator und Leiter der Forschungs- und Technologieprogramme für den Einsatz elektrischer Antriebssysteme im Weltraum bei Safran. „Das Projekt konzentrierte sich auf die Herbeiführung schrittweiser technischer Veränderungen, angefangen beim Triebwerk über die Kathode bis hin zur Leistungsverarbeitungseinheit und der Anlage zur Regelung des Volumenstroms, die erforderlich sind, um den Stand der Technik im Bereich elektrischer Antriebssysteme voranzutreiben.“ Das unter der Leitung von Safran Aircraft Engines stehende CHEOPS-Konsortium besteht aus einigen der führenden europäischen Satellitenherstellern, darunter Airbus Space, OHB System und Thales Alenia Space, sowie aus Akteuren der Lieferkette elektrischer Antriebssysteme und der Wissenschaft.
Förderung von Hallantrieben
Hallantriebe verwenden ein Magnetfeld zur Begrenzung der axialen Bewegung der Elektronen. Durch diese Bewegung wird anschließend der Treibstoff ionisiert. Zudem werden die Ionen beschleunigt, um Schub zu erzeugen und die Ionen in der Abluftfahne neutralisiert. Ziel der Forschenden im Projekt CHEOPS war die Entwicklung drei verschiedener auf Hallantrieben basierender elektrischer Antriebssysteme. Dazu gehörten ein elektrisches Antriebssystem mit geringer Leistung für Anwendungen in erdnahen Umlaufbahnen, ein bivalentes elektrisches Antriebssystem für geosynchrone Anwendungen und ein elektrisches Antriebssystem mit 20 kW und hohem Schub für Fernerkundungsanwendungen. „Jeder einzelne dieser vorgeschlagenen Hallantriebe wird gemäß den Marktanforderungen und durch schrittweise technische Veränderungen an vorhandenen elektrischen Antriebssystemen entwickelt“, erklärt Habbassi. Weitere Arbeiten umfassten die Erarbeitung fortschrittlicher numerischer Entwurfswerkzeuge für elektrische Antriebe. „Diese Werkzeuge fördern unser Verständnis des beobachtbaren Verhaltens und der Interaktionen mit der Satellitenplattform und sagen die Leistung eines bestimmten Entwurfs voraus“, fügt Habbassi hinzu. „Dies schließt die Verwendung alternativer Treibstoffe und die Möglichkeit zur Abschätzung der Lebensdauer eines Systems ein.“
Über den Stand der Technik hinaus
Im Rahmen des Projekts konnte die Raumfahrtantriebstechnik über den Stand der Technik hinaus vorangetrieben werden. „CHEOPS befasste sich mit komplexen Techniken, die neue Arten zukünftiger Weltraummissionen verbessern werden und den Einsatz kleinerer Raumfahrzeuge mit größeren, anspruchsvolleren Nutzlasten ermöglichen“, so Habbassi. „Damit haben wir die Wettbewerbsfähigkeit Europas bei elektrischen Antriebssystemen auf globaler Ebene gestärkt.“ Alle Partner des Konsortiums arbeiten nun daran, die Techniken für zukünftige Weltraummissionen weiter zu entwickeln und sämtliche kommerziellen und regulatorischen Anforderungen zu erfüllen.
Schlüsselbegriffe
CHEOPS, Weltraum, elektrisches Antriebssystem, Satellit, chemisches Antriebssystem, Hallantriebstechnik, Safran, Airbus, OHB System, Thales, Hallantriebe