Neue Umlaufbahnen in Sicht dank luftatmender Antriebe
Elektroantriebe sind die Zukunft für wissenschaftliche und kommerzielle Satelliten. Der Antrieb ist allerdings ein begrenzender Faktor: Sobald der Treibstoff zur Erzeugung des Schubs verbraucht ist, kann der Satellit nicht mehr manövrieren und erreicht das Ende seiner Betriebsdauer. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts AETHER wurde sich mit diesem Problem befasst, indem Restgase der oberen Atmosphäre anstelle von bordeigenem Treibstoff eingesetzt wird, wodurch Satelliten in einer sehr niedrigen Erdumlaufbahn länger in Betrieb bleiben können und kostengünstiger werden.
Neue Möglichkeiten in sehr niedriger Erdumlaufbahn
Tausende Satelliten füllen den Himmel über unseren Köpfen, vor allem in der niedrigen Erdumlaufbahn. Die sehr niedrige Erdumlaufbahn ist verlockend, denn sie bietet eine höhere Auflösung für die Erdbeobachtung und eine höhere Telekommunikationsgeschwindigkeit. Aber Satelliten in dieser Höhe – etwa 200 km von der Erdoberfläche entfernt – sind schwer zu warten. Aufgrund der dünnen, aber nicht unbedeutenden Atmosphäre müssen Satelliten in sehr niedriger Erdumlaufbahn ständig dem Luftwiderstand der Umgebung entgegenwirken. So wird der Treibstoff eines Satelliten schnell verbraucht. Die Nutzung der Luft selbst als Treibstoff stellt eine Innovation dar, da sie unerschöpflich ist. Während die sehr niedrige Erdumlaufbahn das markttauglichste Einsatzszenario für luftatmende elektrische Triebwerke darstellt, ist auch die interplanetare Exploration eine geeignete Anwendung, da ein atmosphärisches elektrisches Triebwerk in der Nähe eines Himmelskörpers eingesetzt werden kann. Der Mars und der Saturnmond Titan sind gute Kandidaten für diese Aufgabe.
Der luftatmende Elektroantrieb
Europa ist bei der Entwicklung dieser Technologie führend. Im Jahr 2017 hat das führende Unternehmen der Luft- und Raumfahrtindustrie SITAEL das weltweit erste luftatmende Triebwerk hergestellt und am Boden getestet. Stefan Gregucci, Leiter des Bereichs Antriebstechnik bei SITAEL, kommentiert: „Das Ziel des Projekts AETHER war es, den Weg für Satelliten in sehr niedriger Erdumlaufbahn zu ebnen, indem es sich auf die Optimierung des luftatmenden Antriebssystems konzentrierte. Das System wurde im Rahmen von AETHER patentiert und stärkt damit die Position und Wettbewerbsfähigkeit von SITAEL in diesem vielversprechenden Marktsegment.“ Das Konzept eines luftatmenden Triebwerks ist zwar unkompliziert, aber die Entwicklung eines solchen Systems bringt viele Herausforderungen mit sich. Um Schub zu erzeugen, muss das System die einströmende Luft sammeln, ihn ionisieren und die erzeugten Ionen auf eine Geschwindigkeit beschleunigen, die deutlich über der Umlaufgeschwindigkeit liegt. In der rauen Umgebung der Höhen in sehr niedriger Erdumlaufbahn, die durch starke atomare Sauerstoffkorrosion gekennzeichnet ist, werden Werkstoffe stark beansprucht. Dieser Aspekt erhöht die Komplexität des funktionalen Designs des luftatmenden Elektroantriebs. Matteo Ciolini, Antriebsingenieur bei SITAEL, kommentiert: „Das Ziel einer verbesserten Ionisierungsfähigkeit führte zu kritischen thermischen und elektrischen Konstruktionsbeschränkungen, die uns dazu zwangen, neue keramische Werkstoffe, unkonventionelle Formen des Einlasses und auch fortgeschrittene Herstellungsprozesse zu erforschen.“
Die Umwelt nachahmen
AETHER baute auf der Konstruktion eines luftatmenden Elektroantriebs auf und verbesserte ihn in mehrfacher Hinsicht. Das Team hat zwei neuartige Beschleunigungsstufen entwickelt und eine davon mit atmosphärischem Treibstoff erprobt. Um die Umweltauswirkungen zu mildern, wurde eine kompakte Hochfrequenzkathode entwickelt und getestet. Auf der Grundlage numerischer Strömungssimulationen wurde das Triebwerk deutlich umgestaltet. Schließlich wurde in AETHER ein Partikelflussgenerator eingesetzt, um die atmosphärische Zusammensetzung und die Geschwindigkeit zu simulieren, der ein Raumfahrzeug in sehr niedriger Erdumlaufbahn ausgesetzt ist. Die nächsten Schritte bei der Entwicklung dieser bahnbrechenden Technologie bestehen darin, die im Projektverlauf vorgenommenen Verbesserungen zu überprüfen. Das Endziel ist die Entwicklung eines Raumfahrzeugs, in das das luftatmende Elektroantriebssystem integriert ist. Luftatmende elektrische Triebwerke in Satelliten in sehr niedriger Erdumlaufbahn sind noch Zukunftsmusik, aber AETHER hat den Technologie-Reifegrad dieser aufregenden Innovation im Bereich der Raumfahrtantriebe erhöht.
Schlüsselbegriffe
AETHER, sehr niedrige Erdumlaufbahn, Satelliten, SITAEL, luftatmende Triebwerke, Elektroantrieb, Partikelflussgenerator, bahnbrechende Technologie