Die Markteinführung fortschrittlicher Helikon-Plasmaantriebe vorbereiten
Derzeit befinden sich mehr als 5 000 Satelliten in der Erdumlaufbahn in geringer Distanz. Diese Satelliten in der niedrigen Erdumlaufbahn sind für die Erdbeobachtung nützlich und werden von der Klimaüberwachung bis zur Telekommunikation und Verteidigung eingesetzt. Der Bedarf nimmt rasant zu. Durch die Massenproduktion Hunderter Satelliten für Megakonstellationen sind strengere Anforderungen an die Produktionszeit und -kosten sowie die Betriebsbereitschaftskosten und Lebensdauer erforderlich. Innovative Helikon-Plasmaantriebe – eine fortschrittliche Art des elektrischen Antriebs, die derzeit entwickelt wird – könnten diesen Anforderungen entsprechen. Im EU-finanzierten Projekt HIPATIA wurde ein fortschrittlicher Helikon-Plasmaantrieb weiterentwickelt und ein komplettes Antriebssystem gestaltet. Damit kommt der vielversprechende Antrieb der Markteinführung und dem Weltraum näher.
Elektrischer Antrieb ohne Elektroden und komplexe Elektronik
Alle Antriebssysteme beruhen auf dem dritten Newtonschen Gesetz: Etwas in eine Richtung ausstoßen, um sich in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen. Herkömmliche chemische Antriebe beruhen auf Verbrennung. Durch den ausgestoßenen Abgasstrahl bewegt sich der Satellit, doch dafür sind enorme Mengen Treibstoff notwendig. Das bedeutet nicht nur Gewicht, sondern auch das Risiko durch leicht entflammbaren Treibstoff. Für neuere elektrische Antriebssysteme ist deutlich weniger Treibstoff erforderlich, dafür bestehen andere Probleme. Derzeit werden in elektrostatischen Antrieben Edelgase über elektrostatische Entladung ionisiert. Durch den Ausstoß der ionisierten Teilchen entsteht Antrieb, doch für die Ionisierung sind Elektroden, die schwierig herzustellen und zu handhaben sind, sowie komplexe Elektronik für hohe Spannungen notwendig. „Beim Helikon-Plasmaantrieb wird der Treibstoff ionisiert, um heißes Plasma über ein Hochfrequenz-Magnetfeld zu erschaffen, das mit einer Antenne und Magneten entsteht. Dabei sind keine Elektroden oder komplexe Elektronik mehr erforderlich, sodass das System einfacher ist und eine längere Lebensdauer hat. Gleichzeitig ist es leichter herzustellen und günstiger und schneller integriert“, erklärt die Projektkoordinatorin Mercedes Ruiz von Sener.
Integration und Tests durch neue Fortschritte und Entwicklungen
Der Ausgangspunkt von HIPATIA war ein Helikon-Plasmaantrieb mit mittlerem Technologie-Reifegrad (TRL). Die übrigen Komponenten des Antriebssystems – die für die Funktionalität essenziell sind – wurden noch nicht berücksichtigt. Über eine kombinierte Modellierungs- und Versuchskampagne konnte das Konsortium den TRL des Helikon-Plasmaantriebs anheben und kritische Komponenten entwickeln und integrieren. Über die Treibstoffkontrolleinheit wird der Treibstoffdruck und Massenstrom reguliert. Mit dem Hochfrequenzgenerator und der Antriebsanlage wird der Treibstoff ionisiert und das Plasma beschleunigt, sodass es dem Antrieb mit hoher Geschwindigkeit entweicht. „Im Rahmen von HIPATIA sind zwei erfolgreiche Kopplungstestkampagnen des kompletten Helikon-Plasmaantriebssystems durchgeführt worden, sodass die Marktanwendung deutlich näher ist“, sagt Ruiz.
Markteinführung, schnellere Innovation und neue Missionen
„Ich bin sehr stolz auf das HIPATIA-Team: Sener, UC3M, Airbus Defence and Space, CNRS und Advanced Space Technologies. Obwohl das Projekt während der COVID-19-Pandemie anlief, verlief die Zusammenarbeit sehr gut, sodass wir die Projektziele erreicht haben“, meint Ruiz. Dabei wurde nicht nur der TRL und die Systemintegration erheblich vorangetrieben. „Aus der fortschrittlichen Modellierung, der Simulation und den Tests ist tiefergehendes Wissen zu der Physik bei dieser Art Plasmagerät hervorgegangen. So sind neue Möglichkeiten aufgekommen, die Effizienz zu erhöhen. Diese bilden die Grundlage eines neuen Antriebs, den wir derzeit charakterisieren“, sagt Ruiz. Mit den Entwicklungen von HIPATIA ist die Markteinführung von Hochfrequenzantrieben näher. Die Raumfahrtindustrie wird einfachere und vielseitigere Antriebssysteme erhalten, mit denen möglicherweise neue Missionen möglich sind.
Schlüsselbegriffe
HIPATIA, Plasma, Antrieb, Triebwerk, Helikon-Plasmaantrieb, Treibstoff, elektrischer Antrieb, Satelliten, Modellierung, Hochfrequenzantrieb, Simulation
