Wenn es um die Zukunft der Weltraumforschung geht, besteht eine der größten Herausforderungen darin, Motoren zu entwickeln, die die Leistung maximieren und gleichzeitig die Kraftstoffeffizienz sicherstellen können. Dies reduziert nicht nur die Kosten für einzelne Missionen, sondern stellt auch sicher, dass Roboter-Raumfahrzeuge (und sogar Raumschiffe mit Besatzung) über längere Zeiträume im Weltraum betrieben werden können, ohne tanken zu müssen.
In den letzten Jahren hat diese Herausforderung zu einigen wirklich innovativen Konzepten geführt, von denen eines kürzlich von einem ESA-Team zum ersten Mal entwickelt und getestet wurde. Dieses Motorkonzept besteht aus einem elektrischen Triebwerk, das in der Lage ist, knappe Luftmoleküle von den Oberseiten der Atmosphäre zu „schöpfen“ und als Treibmittel zu verwenden. Diese Entwicklung wird den Weg für alle Arten von Satelliten ebnen, die jahrelang in sehr niedrigen Umlaufbahnen um Planeten operieren können.
Das Konzept eines luftatmenden Triebwerks (auch bekannt als Ram-Electric Propulsion) ist relativ einfach. Kurz gesagt, der Motor arbeitet nach den gleichen Prinzipien wie ein Ramscoop (bei dem interstellarer Wasserstoff gesammelt wird, um Kraftstoff bereitzustellen) und ein Ionenmotor - bei dem gesammelte Partikel geladen und ausgestoßen werden. Ein solcher Motor würde das Treibmittel an Bord beseitigen, indem er atmosphärische Moleküle aufnimmt, die durch die Atmosphäre eines Planeten strömen.
Das Konzept war Gegenstand einer Studie mit dem Titel „Elektrischer RAM-Antrieb für den Betrieb im erdnahen Orbit: Eine ESA-Studie“, die 2007 auf der 30. Internationalen Konferenz für elektrischen Antrieb vorgestellt wurde. In der Studie wurde betont, wie „Satelliten im erdnahen Orbit atmosphärischen Bedingungen ausgesetzt sind Der Luftwiderstand und damit ihre Lebensdauer sind mit den aktuellen Antriebstechnologien durch die Menge an Treibmittel begrenzt, die sie tragen können, um dies auszugleichen. “
Die Autoren der Studie wiesen auch darauf hin, wie Satelliten, die einen elektrischen Antrieb mit hohem spezifischen Impuls verwenden, den Luftwiderstand während eines Betriebs in geringer Höhe über einen längeren Zeitraum kompensieren können. Aber wie sie zu dem Schluss kommen, wäre eine solche Mission auch auf die Menge an Treibstoff beschränkt, die sie transportieren könnte. Dies war sicherlich der Fall für das Gravitationsfeld und den Gravitations-Mapper-Satelliten Ocean Circulation Explorer (GOCE) der ESA.
Während GOCE mehr als vier Jahre in der Erdumlaufbahn blieb und in Höhen von nur 250 km operierte, endete seine Mission in dem Moment, in dem die 40 kg Xenonversorgung als Treibmittel erschöpft war. Als solches wurde auch das Konzept eines elektrischen Antriebssystems untersucht, bei dem atmosphärische Moleküle als Treibmittel verwendet werden. Wie Dr. Louis Walpot von der ESA in einer Pressemitteilung der ESA erklärte:
"Dieses Projekt begann mit einem neuartigen Entwurf, bei dem Luftmoleküle als Treibmittel von der Erdatmosphäre in etwa 200 km Höhe mit einer typischen Geschwindigkeit von 7,8 km / s aufgenommen werden."
Um dieses Konzept zu entwickeln, haben sich das italienische Luft- und Raumfahrtunternehmen Sitael und das polnische Luft- und Raumfahrtunternehmen QuinteScience zusammengetan, um ein neuartiges Ansaug- und Triebwerksdesign zu entwickeln. Während QuinteScience einen Einlass baute, der ankommende atmosphärische Partikel sammelt und komprimiert, entwickelte Sitael ein zweistufiges Triebwerk, das diese Partikel auflädt und beschleunigt, um Schub zu erzeugen.
Das Team führte dann Computersimulationen durch, um zu sehen, wie sich Partikel in einer Reihe von Aufnahmemöglichkeiten verhalten würden. Am Ende entschieden sie sich jedoch für einen Praxistest, um festzustellen, ob die kombinierte Ansaugung und das Triebwerk zusammenarbeiten würden oder nicht. Zu diesem Zweck testete das Team es in einer Vakuumkammer in einer der Testeinrichtungen von Sitael. Die Kammer simulierte eine Umgebung in 200 km Höhe, während ein „Partikelflussgenerator“ die entgegenkommenden Hochgeschwindigkeitsmoleküle lieferte.
Um einen vollständigeren Test durchzuführen und sicherzustellen, dass das Triebwerk in einer Niederdruckumgebung funktioniert, zündete das Team es zunächst mit Xenon-Treibmittel an. Walpot erklärte:
„Anstatt einfach die resultierende Dichte am Kollektor zu messen, um das Ansaugdesign zu überprüfen, haben wir beschlossen, ein elektrisches Triebwerk anzubringen. Auf diese Weise haben wir bewiesen, dass wir die Luftmoleküle tatsächlich sammeln und auf ein Niveau komprimieren können, bei dem die Zündung des Triebwerks stattfinden kann, und den tatsächlichen Schub messen können. Zuerst haben wir überprüft, ob unser Triebwerk wiederholt mit Xenon gezündet werden kann, das vom Partikelstrahlgenerator gesammelt wurde. “
Als nächsten Schritt ersetzte das Team Xenon teilweise durch ein Stickstoff-Sauerstoff-Luft-Gemisch, um die obere Erdatmosphäre zu simulieren. Wie erhofft zündete der Motor weiter, und das einzige, was sich änderte, war die Farbe des Schubes.
"Als sich die auf Xenon basierende blaue Farbe der Motorfahne in lila änderte, wussten wir, dass wir erfolgreich waren", sagte Dr. Walpot. „Das System wurde schließlich wiederholt ausschließlich mit atmosphärischem Treibmittel gezündet, um die Machbarkeit des Konzepts zu beweisen. Dieses Ergebnis bedeutet, dass der luftatmende elektrische Antrieb nicht mehr nur eine Theorie ist, sondern ein greifbares, funktionierendes Konzept, das entwickelt werden kann, um eines Tages als Grundlage für eine neue Klasse von Missionen zu dienen. “
Die Entwicklung luftatmender elektrischer Triebwerke könnte eine völlig neue Klasse von Satelliten ermöglichen, die jahrelang mit den Rändern der Mars-, Titan- und anderer Körperatmosphäre arbeiten könnte. Mit dieser Betriebslebensdauer könnten diese Satelliten Datenmengen über die meteorologischen Bedingungen dieser Körper, saisonale Veränderungen und die Geschichte ihres Klimas sammeln.
Solche Satelliten wären auch sehr nützlich, wenn es um die Beobachtung der Erde geht. Da sie in niedrigeren Höhen als bei früheren Missionen eingesetzt werden könnten und nicht durch die Menge an Treibmittel begrenzt wären, die sie tragen könnten, könnten Satelliten, die mit luftatmenden Triebwerken ausgestattet sind, über längere Zeiträume betrieben werden. Infolgedessen könnten sie eingehendere Analysen zum Klimawandel anbieten und meteorologische Muster, geologische Veränderungen und Naturkatastrophen genauer überwachen.
