Der Vierstufenplan für Ionentriebwerke

Wie wahrscheinlich die meisten Blogleser wissen, bin ich Fan von Ionentriebwerken – oder besser gesagt ich bin ein Fan von Effizienz. Maximale Nutzlast um die Kosten zu reduzieren. Ab dem Erdorbit benötigt man keinen chemischen Antrieb mehr und Ionentriebwerke können im erdnahen Sonnensystem die Nutzlast gravierend erhöhen. Man könnte sie auch für Fluchttrajektorien einsetzen. Nach dem derzeitigen Stand aber fehlt noch eine leistungsfähige Stromversorgung um bei den äußeren Planeten in einen Orbit einzuschwenken.

Was wurde seit den ersten Tests in den sechziger Jahren erreicht? Ionentriebwerke sind dem Labor entwachsen. Sie werden schon in Kommunikationssatelliten als Unterstützung der Lageregelung eingesetzt, mindestens drei Raumsonden nutzten sie als primären Antrieb. Fast alle größeren Raumfahrtfirmen haben mindestens einen Antrieb im Angebot und diese sind auch erprobt mit mehreren Tausend Stunden Testbetrieb.

Doch wohin könnte man kommen? Ionentriebwerke könnten chemische Antriebe nach und nach ergänzen und später ersetzen und die Nutzlast erhöhen. Später wäre mit Ihnen auch eine Mars- oder Mondexpedition mit einer deutlich kleineren und preiswerteren Trägerrakete möglich. Bei vertretbaren Reisezeiten kann ein Ionenantrieb zirka die Hälfte der Nutzlast des LEO Orbits in den GEO Orbit transportieren – verglichen mit weniger als einem Drittel bei einem chemischen Antrieb. Noch größer wird der Vorteil bei interplanetaren Bahnen, weil hier immer mehr Energie benötigt wird und so die Nutzlast beim chemischen Antrieb deutlich absinkt.

Doch es ist noch viel zu tun. Mal einige Einschränkungen oder Dinge die getestet werden müssen:

• Sowohl bei Fluchtkurs wie auch beim Transfer in den GEO Orbit muss der Van Allen Gürtel durchflogen werden, zudem ändert sich vor allem in einer niedrigen Erdumlaufbahn dauernd Sonneneinstrahlung und Schubrichtung. Es muss erprobt werden wie dies steuerungstechnisch gelöst werden kann und wie die Strahlung sich auf die Elektronik auswirkt.
• Bisher wurden maximal fünf Triebwerke mit einer Leistung bei Dawn eingesetzt. Will man den chemischen Antrieb ersetzen und auch größere Satelliten schnell transportieren so benötigt man deutlich größere Triebwerke oder viel mehr davon. Dasselbe gilt bei der elektrischen Leistung. Dawn hatte 10,5 kW Leistung. Für Satellitentransporte (im ereich der Masse heutiger Kommunikationssatelliten) braucht man 5-10 mal mehr, für bemannte Missionen etwa hundertmal mehr.
• Das macht einige Sprünge notwendig. Die Triebwerke müssen größer und – das ist mindestens genauso wichtig: sie müssen effizient sein. Ionenantriebe haben einen Wirkungsgrad von 60-70%. Das bedeutet, dass z.B. bei bemannten Missionen mit 1 MW Leistung etwa 300-400 kW thermische Abwärme entstehen. Jedes Prozent höherer Wirkungsgrad zählt also.

Das gleiche gilt für die Solarzellen. Inzwischen haben sie Kernreaktoren als effizienteste Energiequelle abgelöst: Die NASA hoffte im Projekt Prometheus bis auf 15 W/kg zu gelangen. Solarzellen offerieren heute 80 W/kg, Technologiedemonstrationen (Ultra-Flex 175 bei der Sonde ST-8) sollen 175 W/kg erreichen. Damit können vor allem die Reisezeiten reduziert werden oder alternativ die Nutzlast gesteigert. (Man darf nicht vergessen, dass selbst bei 175 W/kg die Solarzellen für die Energieversorgung eines Triebwerk noch viermal mehr wiegen als das Triebwerk selbst). Auch hier: Nicht nur die Effizienz zählt sondern auch das Handling – kann man Solarzellen mit Hunderten von kW Leistung gut im Raum entfalten? Wie arbeitet man mit dem Effekt des solaren Strahlungsdrucks, der dann einen Schub ausübt.

Kurz: Es gibt viel zu tun. Packen wir’s an. Hier mal einen Vorschlag wie man es angehen könnte. Dabei sollte die „Nutzlast“, sowohl die beförderte Endnutzlast (Raumsonde, Satellit) wie auch der Antrieb und seine Stromversorgung schrittweise größer werden. Als Beispiel nehme ich mal als Trägerraketen die Reihe Vega – Sojus – Ariane 5.

• Stufe 1: Start einer Sonde mit der Vega aus dem Erdorbit heraus. Diese Mission soll eine 800-1000 kg schwere Sonde zu einem planetaren Ziel, z.B. Mond, Mars, Venus, Asteroiden bringen. Die Nutzlast und die Anforderungen an Antrieb und Energieversorgung sind mit Dawn vergleichbar. Nur starten wir eben aus dem Erdorbit heraus – wir ersetzen hier den chemischen Antrieb und können so eine kleinere Rakete verwenden (2.200 anstatt 6.000 kg LEO Nutzlast). Dies dient zum Erproben des Navigierens im Erdnahen Raum. Wenn man erst mal alles auf Fluchtgeschwindigkeit befördert reduziert man schon die Nutzlast auf ein Drittel!
• Stufe 2: Start einer Sonde mit der Sojus aus dem Erdorbit heraus – Diese Mission würde 3000 – 4000 kg zum Ziel (nicht Fluchtgeschwindigkeit, sondern Umlaufbahn um den Himmelskörper) bringen. Das ist in etwa so viel wie die leistungsfähigsten chemischen Antriebe heute leisten und könnte diese ersetzen (Mars Labor, Juno). Der Sprung der Nutzlast um den Faktor 4 sollte auch in Weiterentwicklungen der Solarzellen und Triebwerke korrespondieren.
• Stufe 3: Start mit einer Ariane 5 vom Erdorbit aus. Diese Mission wäre mit 8.000 – 10.000 kg reine Nutzlast (bei derzeitigen Technologien) in eine Marsumlaufbahn oder Mondumlaufbahn bringen. Das entspricht einer Trägerrakete die etwa 40-50 t in einen LEO Orbit bringen kann, also deutlich über dem was heute für unbemannte Missionen benötigt wird. Denkbar wäre es z.B. damit Bodenproben vom Mars zu gewinnen und zur Erde zurückzubringen, wobei damit auch die Marsexpedition unbemannt vorerprobt werden könnte,
• Stufe 4: Wird erst angegangen werden, wenn es wirklich ein Marsprogramm gibt. Nochmals muss die Nutzlast um den Faktor vier gesteigert werden. Doch mit den Erfahrungen aus Stufe 3 ist dieser Sprung angehbar, dass es nun keiner um den Faktor 100 mehr ist.

Wahrscheinlich wird es zuerst nicht billiger werden. Die Entwicklungskosten, die zusätzlichen Kosten für Solarzellen, Triebwerke dürften die Kostenersparnis bei der Trägerrakete auffressen, vielleicht sogar teurer werden. Doch wenn übergegangen wird zu standardisierten Modulen, mit wählbarer Anzahl an Triebwerken, variabler Füllung der Treibstofftanks und Leistung des Solargenerators, können wie bei anderen Projekten, die Kosten gesenkt werden durch Serienfertigung und Wegfall der Entwicklungskosten. Bedingt durch die hohe Treibstoffeffizienz wäre im Erdorbit auch eine mehrfache Verwendung einer Transferstufe denkbar. Bei Kommunikationssatelliten die heute schon 50-60% nur aus Treibstoff bestehen, könnte die verlängerte Nutzungsdauer und die viel höhere Nettonutzlast ebenfalls die Kostenrechnung deutlich günstiger machen.

Wahrscheinlich muss eben erst mal einer es vormachen. Vielleicht sollte die ESA es in Angriff nehmen. Wie wäre es Bepi-colombo nicht erst im Sonnenorbit mit einem Ionenantrieb zu beschleunigen, sondern schon im Erdorbit und dafür wieder auf die Sojus zurückzugreifen. Die ESA finanziert ja auch sonst technologische Weiterentwicklungen um die europäische Satellitenindustrie zu stärken wie OTS, Olympus, Artemis und nun Alphasat/Alphabus. Warum ist letzterer noch immer auf den chemischen Antrieb ausgelegt? Es ist Zeit für neue Ideen. Wiederholungen (Stichwort Constellation) gibt es schon genug!