Direktantrieb verbessert solarelektrische Antriebsleistung von Raumfahrzeugen
Der elektrische Antrieb ist der Schlüssel zum Raumfahrzeug der Zukunft, da durch ihn große Einsparungen an Treibstoffmasse möglich werden. Es ist eine Vielzahl von elektrischen Triebwerken auf dem Markt, bei denen Treibstoffe wie Xenon-Gas oder Sonnenenergie von den an Bord befindlichen Paneelen zur Stromerzeugung genutzt werden. Bei der heute üblichen Technologie sind jedoch sperrige Stromrichter erforderlich, um Elektrizität mit einer bestimmten Wattleistung liefern zu können. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts EDDA wurde getestet, wie mithilfe der Direktantriebsarchitektur die Notwendigkeit eines Stromrichters in mehreren bereits auf dem Markt befindlichen Treibwerken zu umgehen ist, indem eine direkte Versorgung von einer bordseitigen Solarzellenanordnung mit einer Hochspannung von bis zu 400 V erfolgt.
Triebwerksleistung bei simulierten Weltraummissionen
Die heute gängige Technologie erfordert einen Stromrichter, der die elektrische Antriebsspannung auf 250 V und mehr erhöht, um die Triebwerke an Bord von Raumfahrzeugen zu betreiben. Das Team von EDDA analysierte mehrere Direktantriebsarchitekturen und erprobte eine neue elektronische Leistungseinheit, die vom Partner Thales Alenia Space in Belgien entwickelt wurde. Das Triebwerk ist derart konzipiert, dass es mit einigen existierenden und zukünftigen Triebwerken wie etwa dem Hall-Antrieb, der von mehreren Raumfahrtunternehmen, darunter auch dem Projektpartner Sitael, entwickelt wurde, und dem hocheffizienten mehrstufigen Plasmastrahltriebwerk (High Efficiency Multistage Plasma Thruster, HEMPT) zusammenarbeiten kann, das von Thales-D gebaut wurde. Dazu Projektkoordinator Gilles Bouhours: „Im Rahmen von EDDA werden die Stromversorgung und der Antrieb zusammengeführt. Gegenwärtig sind diese Teilsysteme sorgfältig voneinander getrennt. Mit EDDA steuert das Energiemanagement mehrere Triebwerke gleichzeitig, um Strom und Antriebsleistungen zu optimieren.“ Mithilfe von Solarzellengruppen-Simulatoren wurden verschiedene Triebwerke mehrfach getestet, um die Leistung elektrischer Direktantriebe bei Missionssimulationen im Zusammenhang mit dem Start, dem Bahnwechsel und dem Betrieb auf der Station zu bewerten. Die Testergebnisse waren sehr ermutigend: Nahezu 100 % der Energie wurde aus den Paneelen gewonnen, wobei die Wärmeverluste vernachlässigbar waren. An der Universität Carlos III zu Madrid (UC3M) wurden fortgeschrittene Simulationen durchgeführt, bei denen die Triebwerksschwingungen im Detail analysiert wurden. In Extenso Innovation Croissance koordinierte das Projektmanagement.
Anwendungen für Direktantriebsarchitektur
Raumfahrzeugstarts sind ist sehr kostspielig, und die Stromrichter aus der Nutzlast entfernen zu können, senkt nicht nur die Kosten, sondern erhöht auch die Kapazitäten und Ressourcen von Raumfahrzeugen in Bezug auf zusätzliche Treibstoffe oder Ausrüstung. Die Direktantriebsarchitektur hat drei Hauptanwendungen auf dem Markt. Bei Telekommunikationssatelliten in geostationären Umlaufbahnen in etwa 36 000 km Höhe über der Erde sind erhebliche Vorteile durch Kosten- und Massenreduzierungen zu erwarten, die durch ein schnelleres elektrisches Erreichen von Umlaufbahnen (Electric Orbit Raising), ermöglicht durch ausgereifte elektrische Antriebstechnologien, erzielt werden. Im Orbit stationierte Dienstleistungen bilden einen neu entstehenden Markt. Dank ihnen können Raumfahrzeuge die vorhandenen Satelliten besuchen und verschiedene notwendige Dinge erledigen, etwa die Lebensdauer verlängern, Raumfahrzeuge verlegen, Instandhaltung mit austauschbaren Ersatzgeräten (Orbital Replacement Units) durchführen und Weltraummüll entfernen. Der elektrische Direktantrieb ermöglicht die Erforschung des fernen Weltraums. Missionen zum Mond, zum Mars und zu Asteroiden erfordern den Transport massiver Nutzlasten. Um Fracht mit elektrischem Antrieb zu befördern, ist viel Strom zur Bereitstellung von Antriebsleistung erforderlich, und Direktantriebslösungen tragen dazu bei, diesen Bedarf zu decken. Bouhours erläutert: „Das ultimative Ziel des EDDA-Teams ist es, ein leistungsstarkes solarelektrisches Antriebssystem zur Verfügung zu stellen, um jede beliebige Fracht von einer Erdumlaufbahn zu einer anderen oder zu einem anderen Planeten zu transportieren.“ Die Projektpartner kommen aus fünf Unternehmen und von einer Universität in Belgien, Deutschland, Spanien, Frankreich und Italien. Durch Koordinierung mit den Herstellerfirmen der am häufigsten in der Raumfahrt eingesetzten Triebwerke hat das EDDA-Team die Direktantriebstechnologie auf eine zügige Einführung vorbereitet.
Schlüsselbegriffe
EDDA, Direktantrieb, Raumfahrzeug, bahnbrechende Technologie, hocheffizientes mehrstufiges Plasmastrahltriebwerk, High Efficiency Multistage Plasma Thruster, elektrischer Antrieb, Hall-Antrieb
