Die weltweit erste magnetische Abschirmvorrichtung für den (Wieder-)Eintritt von Raumfahrzeugen
Wenn Raumfahrzeuge mit Hyperschallgeschwindigkeit in die Planetenatmosphären eindringen, erhitzen Schockwellen die Oberfläche des Fahrzeugs auf etwa 1 600 °C, was eine Gefahr für die Struktur des Fahrzeugs, Systemausfälle und sogar den Verlust der Mission bedeutet. Hitzeschilde wurde zwar entwickelt – aus Metall, Keramik, Verbundwerkstoffen und/oder ablativen Werkstoffen – aber durch sie wird das Gewicht erhöht und die Nutzlast reduziert. Sie müssen auch ausführlich und teuer getestet werden und gelten nicht als völlig zuverlässig. Oft müssen sie nach jeder Mission gewartet und ausgetauscht werden. Durch die Plasmaspur hinter dem Raumfahrzeug können auch Funkwellen blockiert werden – was zu Kommunikationsausfällen für die Besatzung und die Missionskontrolle führt. Im EU-finanzierten Projekt MEESST wurde ein Paradigmenwechsel hin zu Magnetschilden vorgeschlagen. Mit Hochtemperatur-Supraleitern wird beim MEESST-Gerät ein Magnetfeld erzeugt, das die Schockwelle und die Plasmahülle um das Raumfahrzeug verdrängt, um die Wärmeströme auf der Oberfläche abzumildern und möglicherweise Kommunikationsausfälle zu verhindern. „Unsere Lösung ist durch die geringere Masse, das Volumen, die elektrische Leistung und die Anforderungen an kryogene Kühlung im Vergleich zu den traditionellen Niedrigtemperatur-Supraleitern eine Innovation. Gleichzeitig erzeugt sie höhere Magnetfelder als bisher möglich war. Sie ist durch die Wiederverwendung auch umweltfreundliche, um weiteren Weltraummüll zu vermeiden“, berichtet Andrea Lani, der MEESST-Projektkoordinator.
Tests für reduzierte MHD-Plasmaströme und Funkausfälle
Die MEESST-Projektpartner haben einen Demonstrator mit Magnetohydrodynamik (MHD) entwickelt und getestet – eine experimentelle Sonde, die der stumpfen Nase eines Raumfahrzeugs mit integriertem kryogen gekühltem Magnet mit Hochtemperatur-Supraleiter ähnelt. Diese wurde unter repräsentativen Wiedereintrittsbedingungen mit und ohne Magnetfelder getestet, um die Reduktion der Wärmeströme zu quantifizieren (im Plasmawindkanal PWK1 am Institut für Raumfahrtsysteme. Die Funkausfälle wurden im Plasmatron am Von Karman Institut getestet. Insgesamt wurden vier Versuchskampagnen durchgeführt, jeweils zwei pro Charakterisierung (Wärmeströme und Funkausfall). Bei den Wärmeströmen wurden starke Reduzierungen der Überschall-Luftplasmen berichtet, bis zu 40 % bei der Rückkehr vom Mond (60 Megajoule pro Kilogramm) und bis zu 80 % für die interstellare Rückkehr (80 Megajoule pro Kilogramm) bei maximal erreichbarer Magnetfeldstärke (0,67 Tesla an der Sondenoberfläche). Zu den Funkausfällen zeigten die Ergebnisse für Luftplasmen (Erde) und CO2-Plasmen (Mars) geringere Dämpfungseffekte als erhofft – bis zu fünf Dezibel (bei Signalverlust). Hier sind also weitere Tests mit besserer Antennenpositionierung, höherer (Überschall-)Strömungsgeschwindigkeit und einem stärkeren Magnetfeld notwendig. „Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse das Potenzial dieser Technologie für zahlreiche Weltraummissionen, bei denen ein Wiedereintritt bei höherer Geschwindigkeit und hohen Ionisierungsraten notwendig ist, zum Beispiel bei der Rückkehr zum Mond oder Mars oder beim Asteroidenabbau“, so Lani. Die fortschrittliche Modellierungssoftware für die Simulation beider Szenarien (MHD-Plasmaströme und Funkausfälle) – COMET von der KU Leuven und BORAT der KU Leuven und der Universität Luxemburg – kann jetzt für das virtuelle Prototyping künftiger magnetischer Abschirmvorrichtungen dienen.
Vorbereitung der Markteinführung der Abschirmvorrichtung
Das MEESST-Team skaliert das System derzeit für ein tatsächliches Flugszenario hoch, um anschließend ein Start-up zu gründen und die Technologie zu kommerzialisieren. Das Team hat auch Förderung durch den Europäischen Innovationsrat beantragt, um eine Demonstration eines Wiedereintritts in die erdnahe Umlaufbahn (LEO) der Nyx-Kapsel von The Exploration Company vorzubereiten. Das ist auf drei Hauptmärkte ausgerichtet: LEO-Frachtflüge (z. B. für die Fertigung bzw. Forschung und Entwicklung zu Mikrogravitation), Weltraumforschung (z. B. Mond- und Marsrückkehr) und Weltraum-/Asteroidenbergbau. „Wir wollen die Technologie für die nächste Generation der Weltraummissionen bereitstellen, um Menschen, Ausrüstung, Materialien und Vorräte auf dem Weg durch den Weltraum und zurück zu schützen“, ergänzt Lani.
Schlüsselbegriffe
MEESST, Mars, Erde, Mond, Atmosphäre, Hitzeschild, magnetisch, Plasma, Weltraum, Wiedereintritt, Raumfahrzeug, erdnahe Umlaufbahn