Nicht immer ist ein hoher spezifischer Impuls wichtig….

Was wirklich? Was soll denn das heißen? Nun es gibt tatsächlich eine Ausnahme, nämlich wenn die Energie nicht im Treibstoff schlummert, sondern selbst aufgebracht werden muss, also bei elektrischen Antrieben.

Nun man kann das ganze ganz einfach erklären: Die Energie die man braucht, um Materie auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu beschleunigen berechnet sich nach E = m*v²

Das bedeutet wenn ein Ionenantrieb eine erhöhte Ausströmgeschwindigkeit (v) erreichen will, so steigt der Energiebedarf quadratisch pro Masseeinheit an. Natürlich korrespondiert eine erhöhte Ausströmgeschwindigkeit mit einem geringeren Treibstoffverbrauch. Doch solange (und das ist zumeist gegeben) die Ausströmgeschwindigkeit viel größer als der Geschwindigkeitsbedarf ist, nimmt der Treibstoffbedarf eher linear ab.

Es gibt auch einen Zusammenhang bei Ionentriebwerken. Es gilt:

c = w * 2L / S

c: Ausströmgeschwindigkeit in m/s
w: Wirkungsgrad (0…1)
L: Leistung in Watt
S: Schub in N

Sind elektrische Leistung, Wirkungsgrad bekannt und gegeben so vereinfacht sich die Gleichung auf:

c = const / S

Das bedeutet ein hoher Schub und eine hohe Ausströmgeschwindigkeit schließen sich gegenseitig aus. Das hat Folgen. Da eine gewisse Endgeschwindigkeit benötigt wird und das Raumfahrzeug auch ein gewisses Gewicht aufweist ist klar, dass bei abnehmenden Schub es immer länger dauern wird eine bestimmte Endgeschwindigkeit zu erreichen.

Nun könnte man auf die Idee kommen die Sache anders anzugehen. Wenn eine doppelt so hohe Ausströmgeschwindigkeit eine doppelt so hohe Leistung erfordert, dann muss einfach die Stromversorgung stärker ausgelegt sein. Die Sache hat nur einen Haken: Heute verfügbare Systeme wiegen erheblich mehr als das ganze Triebwerk oder der Treibstoff. Ein Ionentriebwerk von EADS hat z.B. einen Stromverbrauch von 5 kW und wiegt 7 kg. Bei den leistungsfähigsten Solargeneratoren, die heute im Einsatz sind beträgt die Leistung aber maximal 80 W/kg. Der Solargenerator der 5 kW Leistung liefert würde also mindestens  62,5 kg wiegen, nahezu zehnmal mehr als das Triebwerk selbst. Nukleare Energieversorgung ist auch keine Lösung den deren Leistung ist noch geringer, gemessen pro Kilogramm Gewicht des Reaktors.

Darum ist es nicht sinnvoll eine sehr hohe Ausströmgeschwindigkeit anzustreben. Es ist ja seit den sechziger Jahren bekannt wie eine Ausströmgeschwindigkeit von 200 km/s erreicht werden kann, der letzte theoretische Versuch ist das ESA Triebwerk DS4G. Wahrscheinlich geht es mit noch mehr Beschleunigungsstufen (die Ausströmgeschwindigkeit ist zumeist von der erzielbaren Spannungsdifferenz auf einer Strecke begrenzt) noch höher. Doch auch die Autoren des DS4G propagieren dieses für interstellare Missionen wenn diese Ausströmgeschwindigkeit benötigt wird.

Eine zweite Möglichkeit wäre bei bemannten Missionen, die ein Platzproblem haben: Der Schub eines herkömmlichen Ionentriebwerks mit einer Beschleunigungsstrecke ist begrenzt auf 0,5 mN/cm². Würde man also für eine Marsexpedition eine Ares V mit 10 m Durchmesser benutzen läge der maximale Schub bei ca 390 N. Die Konstruktion des DS4G mit zwei Beschleunigungsstrecken würde diese Energiedichte um den Faktor 20 erhöhen. Allerdings bleibt die Frage wo die elektrische Leistung herkommt.

Es gibt also ein Optimum für die Strahlgeschwindigkeit. Sie liegt bei

copt = Sqrt(2* t / 1000 * a0) [km/s]

copt : optimale Ausströmgeschwindigkeit in m/s
t: gesamte Antriebsdauer in s
a0: Koeffizient aus Sondengewicht in kg und Leistung in kW: a0 = Sondengewicht [kg]/Leistung [kW]

Für Marsrundreisen z.B. 20 – 60 km/s für einen Orbiter im Jupitersystem 80-100 km/s. Wenn es nicht so weit gehen soll, wie z.B. bei SMART-1 nur zum Mond so reicht auch eine Ausströmgeschwindigkeit von nur 10 km/s. Dasselbe dürfte wohl auch für reine Lageregelungszwecke gelten.