Xenon wird von kostengünstigerem Satellitentreibstoff-Konkurrenten überholt
Die Zahl der Kleinsatelliten, die unsere Erde umkreisen, hat in den letzten zehn Jahren dank winziger Elektronikteile und geringerer Startkosten stetig zugenommen. In den kommenden Jahren wollen Satellitenbetreiber wie OneWeb und StarLink Zehntausende von Satelliten in die Umlaufbahn bringen, um eine bessere Internetabdeckung und Erdbeobachtung zu gewährleisten. Die elektrischen Antriebssysteme für diese Kleinsatelliten umfassen in der Regel eine komplexe Elektronik und sind auf Gastreibstoffe wie Xenon oder Krypton angewiesen, die jedoch teuer und knapp sind.
Eine reichlich vorhandene, kosteneffiziente Alternative zu herkömmlichen Satellitenkraftstoffen
Das EU-finanzierte Projekt iFACT führte eine neuartige Schubdüsenarchitektur ein und verwendete einen billigeren alternativen Treibstoff, um die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt für Elektroantriebe zu erhöhen. Die Forschenden konzentrierten sich dabei auf Jod als gangbaren Ersatz für Xenon, da es ein Element ist, das natürlich im Boden und im Meer vorkommt. Sein Einsatz als Treibstoff ermöglicht eine stark vereinfachte Architektur des Subsystems für die Treibstoffzufuhr, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt. Obwohl Jod ungefähr die gleiche Masse hat, ist seine Speicherdichte dreimal so hoch wie die von Xenon, was dazu beiträgt, dass die Masse des Zuführungssystems verringert wird. Projektkoordinator Franz Georg Hey erklärt: „Wir haben wichtige Bausteine entwickelt und demonstriert, um die Verwendung von Jod als Treibstoff für elektrische Antriebe zu fördern. Seit 2020 wurden drei verschiedene jodgespeiste Triebwerke gebaut (mit Leistungen zwischen 10 und 1.000 W) und eines davon wurde erfolgreich mit einer von Endurosat entwickelten CubeSat-Plattform gekoppelt.“
Jodoptimierte Architektur
Der von Airbus entwickelte Advanced Cusp Field Thruster (ACFT) ist ein vielversprechendes elektrisches Triebwerk, das mit Jod betrieben wird. Es besteht aus einem Paar Magneten, zwei Polschuhen, einer magnetischen Anode und dielektrischen Entladungskammer, kann leicht gezündet werden und sorgt für eine stabile Plasmaentladung. “Das 300-W-ACFT wurde mehr als 3.000 Stunden in einer speziellen jodkompatiblen Vakuumanlage betrieben, die vom Projektpartner Aerospazio Technologie in Italien konzipiert wurde. Dies stellt eine sehr wichtige Errungenschaft für den Jodantrieb dar, die zeigt, dass man mehrere Kilogramm Jod in ein einziges Triebwerk einspeisen kann“, bemerkt Georg Hey. An den Rändern der Anode wird das Treibmittel in die Entladungskammer des Triebwerks eingespeist. Am Ausgang des Triebwerks emittiert eine Hohlkathode Elektronen, um den extrahierten Ionenstrahl zu neutralisieren und die Plasmaentladung aufrechtzuerhalten. Das Projektteam entwickelte Hohlkathoden, die Elektronen sowohl für die Plasmaerzeugung als auch für die Strahlneutralisierung bereitstellen. Hohlkathoden erzeugen große Mengen an Plasma, heizen sich selbst auf und passen ihren Spannungsabfall an, um die für die Erzeugung der gewünschten Ionenentladung erforderliche interne Erwärmung zu gewährleisten. Das Projektteam experimentierte mit verschiedenen Kathodenmaterialien, um ihre jeweilige Kompatibilität mit Jod zu prüfen. „Calciumaluminat (C12A7) ist ein vielversprechendes Kathodenmaterial, das wahrscheinlich mit Jod kompatibel ist. Die positiv geladenen Jod-Ionen, die durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden, sorgen für die Schubkraft. Nachdem die positiv geladenen Jod-Ionen den Motor verlassen haben, werden sie wieder neutralisiert. Dabei werden dem Strom Elektronen hinzugefügt, um eine negative elektrische Ladung auf dem Satelliten zu verhindern“, erklärt Georg Hey. Außerdem ist die Austrittsarbeit des Materials geringer als bei dem üblicherweise verwendeten Lanthanhexaborid (LaB6). Schließlich hat das Projektteam nachgewiesen, dass Jod bei niedrigen Partialdrücken keine Schädigung des Satelliten verursacht und daher sicher als Treibstoff verwendet werden kann. Die iFACT-Aktivitäten lieferten ausreichende Daten darüber, wie sich Jod zusammen mit den im Antriebssystem verwendeten Materialien verhält. Die Forschenden hoffen, dass die Verwendung von Jod nicht nur zur Verringerung von Treibstoffkosten und -volumen beiträgt, sondern auch zu deutlich kleineren und leichteren Antriebsmodulen führen wird.
Schlüsselbegriffe
iFACT, Jod, Satellit, Xenon, elektrischer Antrieb, Plasma, Hohlkathode, Advanced Cusp Field Thruster, ACFT
