Ionentriebwerke für eine bemannte Marsmission

Wer mich kennt, weiß, ich bin ein Fan von Ionentriebwerken. Einfach weil sie viel effizienter als chemische Antriebe sind. Aber sie haben auch Nachteile. Der offensichtlichste für eine bemannte Marsmission ist der Faktor Zeit.

Ionenantriebe haben sehr niedrige Schübe, trotz hohem spezifischen Impuls. Beide Größen sind sogar gekoppelt: je höher der Impuls, desto kleiner der Schub. Da aber die Zeit die man braucht, um eine bestimmte Geschwindigkeitsdifferenz zu erreichen, von dem Schub abhängt, dauert so die Reise immer länger. Hier mal die Daten des NSTAR-Triebwerks, das die Raumsonde Dawn antrieb:

• Stromverbrauch: 525 bis 2500 Watt
• Schub: 0,019 bis 0,092 Newton
• Treibstoffverbrauch: maximal 3,25 mg/s
• Spezifischer Impuls: 30.400 m/s

Um die 425 kg Xenon zu verbrauchen, die Dawn an Bord hatte hätten drei Triebwerke bei voller Leistung 506 Tage gebraucht. Es waren in der Praxis sogar 5,87 Jahre, da die Triebwerke nicht alle liefen, sondern bei abnehmender Entfernung immer weniger und schließlich auch mit reduzierter Leistung. Die Geschwindigkeitsänderung von 11,5 km/s entspricht der, die man auch bei einer Marsmission braucht zumindest mit einem Ionenantrieb.

Bei einer bemannten Mission hat man diese Zeit nicht. Das ist der Hauptnachteil.

Referenz chemischer Antrieb

Damit wir einen Vergleich haben, habe ich mal eine Mission skizziert, die für Ionentriebwerke die optimale ist:

• Start von der Erde zum Mars.

• Einschwenken in eine Marsumlaufbahn und Anpassung derer

• Verlassen der Marsumlaufbahn.

Wenn ich für das Verlassen der Erde einen LOX/LH2-Antrieb einsetze und beim Mars lagerfähigen Treibstoff (spezifische Impulse 4400 und 3100 m/s) und Strukturfaktoren von jeweils 12, dann ergibt sich folgende Bilanz:

• Erdorbit 200 t

• Marstransferbahn: 74,7 t

• Marsumlaufbahn (300 x 40.000 km, Synchronbahn): 53,8 t

• Rückkehr zur Erde: 38,9 t

Bei den anderen Teilen einer Marsexpedition ist die Bilanz besser. Für eine direkte Landung zählt nur die Nutzlast in eine Marstransferbahn. Das sind die Elemente, die man direkt auf dem Mars landet, ohne in eine Umlaufbahn einzutreten wie das Habitat, Vorräte, schweres Geräte, Treibstofffabrik. Dazu gehört zum Teil auch der Landeapparat der Besatzung. Der muss zwar in eine Umlaufbahn eintreten, weil er mit dem Modul verbunden ist, welche die Besatzung auf dem Weg zum Mars aufnimmt, aber dann landet er und er kann nur mit chemischen Antrieb wieder in den Orbit kommen.

Wenn man einen Plan wie Mars-direkt verfolgt, also ohne Eintreten in die Umlaufbahn, dann entfällt natürlich die beiden letzten Schritte.

Ionentriebwerke – Bestandteile

Ein Antriebsmodul für Ionentriebwerke besteht aus folgenden Teilen:

• Den Triebwerken selbst

• Dem Treibstoff und den Tanks

• Der Energieversorgung

Die Triebwerke sind zwar schwerer als chemische Triebwerke mit demselben Schub aber sie stellen keinen großen Gewichtsfaktor dar: bei Dawn waren es 27 von 561 kg des Antriebssystems

Der Treibstoffanteil ist zwar nicht so groß wie beim chemischen Antrieb, aber die heutigen Triebwerke setzen Xenon ein, das ist ein Gas. Die Druckgastanks sind daher relativ schwer. Sie machen 10 bis 20 % der Treibstoffmasse aus.

Die Energieversorgung macht den Hauptteil des Gewichts aus. Dawn hatte eine Leistung von 10 kW und die Solarpaneele wogen 126 kg. Dazu kommen noch Wandler für die von den Triebwerken benötigte Hochspannung. Diese wogen weitere 30 kg. Immerhin benötigen die Ionentriebwerke so viel Energie, das man sich eine eigene Stromversorgung für andere Systeme sparen kann.

Problem Energieversorgung

Wenn ich schnell zum Mars kommen will, brauche ich mehr Schub, dann auch mehr oder stärkere Ionentriebwerke und die brauchen mehr Strom. Heutige Spitzen-Solarpaneele von ATK die schirmartig aufgespannt werden erreichen 120 W/kg. Fanz große sollen 150 bis 170 W/kfg erreichen. Rechteck-Flächige Paneele wie Dawn sie einsetzte 85 W/kg. Sie sind aber universeller, denn die ATK-Flexarrays sind kreisförmig, das begrenzt die Größe, ein rechteckiges Array kann man dagegen in die Länge ziehen. Es gab auch schon in der Erprobung aufrollbare rechteckige Arrays, die man dann für den Start sehr kompakt zusammenrollen kann.

Wenn ich schnell zum Mars kommen will, dann wird schnell klar, dass ich viel Energie benötige und damit wird die Energieversorgung zum Hauptgewichtspunkt des Antriebs. Eine Lösung wären Reaktoren im Weltraum. Doch diese sind eben noch kaum erprobt und die sowjetischen Rektoren haben Leistungswerte die viel schlechter als Solargeneratoren sind. Sie haben auch den Vorteil das sie beim Mars genauso so viel Energie wie nahe der Erde liefern. Denn sonst sind es aufgrund der höheren Entfernung nur 36 bis 52 %, je nach Distanz von der Sonne. Ich denke aber wenn man wirklich mal Ionentriebwerke in Betracht zieht, dann sind Kernreaktoren die beste Lösung, denn das Gewischt der Abschirmung wird im Verhältnis zum Gesamtgewicht um so kleiner. Der SAFE-Reaktor liefert immerhin 100 kw bei 512 kg Masse, also 200 W/kg und bei den benötigten Leistungen im Megawattbereich dürfte das Verhältnis Leistung/Gewicht noch besser sein.

Ich habe errechnet das für 190 t Startmasse, (10 t weniger als beim chemischen Antrieb, weil ich von einem 400 km hohen Startorbit ausgehe) um in unter 120 Tagen die Erde zu verlassen man bei einem spezifischen Impuls von 30.000 m/s man eine Leistung von 3 MW braucht. Das sind bei 100 W/kg 30.000 kg nur für die Solarzellen.

Durchgerechnet

Wenn ich die Zeit ausspare, so wäre eine Lösung für den Round-Trip:

• Stromversorgung: 3 MW = 30 t

• Treibstoff: 95 t, mit Tanks: 110 t, ΔV = 20 km/s

• Triebwerke: 2 t + Spannungswandler 4 t

• Netto: 54 t Nutzlast

Dafür habe ich 320 Tage zusätzliche Betriebsdauer. Bei einer typischen Aufenthaltsdauer auf dem Mars von 500 bis 550 Tagen reduziert dies also diese auf 200 Tage. Dafür habe ich 54 anstatt 39 t Nutzlast bei der Rückkehr zur Erde.

Wenn ich nur die Nutzlast zum Mars entsende, dann sind es 104 t Nutzlast bei 160 Tagen mehr. Dies ist aber unkritisch, da diese Elemente meist unbemannt sind. Für sie würde es sich also wirklich lohnen (104 zu 74,7 t).

Ich sage bewusst: eine Lösung, denn bei Ionentriebwerken ist alles voneinander abhängig. Wenn ich z. B. den spezifischen Impuls erhöhe, brauche ich zwar weniger Treibstoff, aber dafür mehr Leistung und schwerere Triebwerke für denselben Schub.

Dafür bin ich aber bei den Leistungsdaten sehr weit von dem weg was ich sowoehl für die Energieversorgung wie auch Antriebe derzeit im Einsatz habe. Das sind Triebwerke mit 1-5 kW Strombedarf, davon bräuchte ich rund 1000 Stück bei 3 MW Leistung. Ebenso hat die ISS zwar Solarzellen für 220 kW Leistung, doch die wiegen rund 30 t, sind also pro kw-Leistung zehnmal schwerer.

Die NASA hat Ionentriebwerke daher nur als Hilfsantrieb vorgesehen. Mit ihnen kann man:

• Auf dem Weg zum Mars (chemisch) noch weiter beschleunigen und so die Reisedauer verringern (entsprechend beim Mars wieder abbremsen)

• Wenn man in einer ersten stabilen Umlaufbahn um den Mars ist, diese absenken für bessere Beobachtungsbedingungen und später wieder anheben um die Geschwindigkeitsdifferenz für das Einbremsen und Verlassen für den chemischen Antrieb zu verringern.

Bei einer bemannten Landemission ist es dagegen zu überlegen, ob man die Station nachdem sie vom Mars in einer elliptischen Umlaufbahn eingefangen wird, absenkt. Der Grund: Das Herunterspiralen geht noch ohne Zeitverlust, kann erfolgen, während die Besatzung auf dem Mars ist. Das Herausspiralen aber erst, wenn die Besatzung an Bord ist. Das sind rund 3 km/s zusätzlich, dann noch weitere 3 km/s um das Perihel auf Erdentfernung abszusenken. Diese 6 km/s in Marsentfernung abzubauen, dauert wegen der geringen Stromversorgung genauso lange wie 12-14 km/s bei der Erde, weitaus mehr als man beim Start benötigt (etwa 10,5 km/s).

Auf der anderen Seite startete vom Mars nur eine leichte Kapsel, keine schwere Station. Sie muss nur etwa 1 km/s zusätzlich aufwenden um an eine Station in einem Synchronorbit (erlaubt einen Startversuch pro Tag) anzukoppeln (gegenüber einem marsnahen Kreisorbit) und von dort aus in die Erdtransferbahn sind es nur 1 km/s anstatt 6 km/s mit Ionentriebwerken. Das benötigt dann in etwa genauso viel Treibstoff, aber man hat keinen Zeitverlust. Es bietet sich auch an wegen der geringen Leistung bei Marsnähe das Einbremsen in einen ersten Orbit und das Verlassen dessen deswegen chemisch durchzuführen.

Daher geht die NASA bei 88 t Masse (also etwas weniger als die Hälfte dieses Ansatzes) von lediglich 500 kW Leistung aus und einem Bündel von 24 x 13,3 kW Triebwerken. Sie stuft das technologische Risiko immerhin hoch ein. Dabei setzt sie noch 12 t chemischen Treibstoff ein, eben dafür diese Einbrems / Verlassenmanöver.

Immerhin: würde man die 88 t mit 500 kW Leistung aus einer erdnahen Bahn zum Mars entsenden, so wären in 520 Tagen die Transfbahn erreicht bei 63,8 t Restgewicht. (NASA-Lösung: 46,8 t) Das wäre eine Lösung für unbemannte Bestandteile, die man sowieso ein Startfenster vorher startet, bzw. wenn man die Zeit (26 Monate, also 732 Tage) für den Ionenantrieb nutzt, so kommen sie immer noch früher als die Besatzung an, aber man hat geringere Anforderungen an die Ionentriebwerke.

Zusatznutzen

Ein für ein Lebenserhaltungssystem möglicher Zyklus ist die Reduzierung von Kohlendioxid mit Wasser zu Sauerstoff und Methan. Methan kann man bei chemischen Antrieben nutzen, man kann damit aber auch eine Subklasse von Ionentriebwerken antreiben. Die Plasmatriebwerke. Bei Satelliten werden sie wegen ihrer beschränkten Lebensdauer und niedrigem Wirkungsgrad selten genutzt. Aber man kann auf der interplanetaren Reise das Methan nutzen für kleine Kurskorrekturen, Lageänderungen, das sonst Abfall ist. Jedes Besatzungsmitglied atmet rund 0,8 bis 1 kg Kohlendioxid pro Tag aus. Bei 6 Personen sind das 6 kg und über die 1.100 Tage rund 6.600 kg. Bei einem spezifischen Impuls von 5500 m/s (Aerojet-Plasmatriebwerke) und 88 t Masse wie bei dem erwähnten DST-Habitat sind das 400 m/s – genügend für kleine Kursänderungen oder Lageänderungen.

Unbemannt

Wenn man Ionentriebwerke einsetzen will, dann ist sinnvoll, so viel wie möglich unbemannt zu starten. Das ist in jedem Falle die Wohnung/Labor, das auf dem Mars landet, es können auch mehrere sein. Dazu benötigt man mindestens einen Start für das schwere Gerät, Vorräte oder Energieversorgung, eventuell auch hier mehr, z. B. wenn man an die Treibstoffproduktion auf dem Mars denkt. Man kann auch die Kapsel, mit der man vom Mars wieder startet mitsamt des benötigten Treibstoffs unbemannt vorher starten und in einer Marsumlaufbahn parken, ebenso müsste man den Treibstoff für den Rückstart nicht mitführen, sondern könnte auch ihn dort parken. Das würde die Masse für das bemannte Modul deutlich senken. Es benötigt für den Fall das man nicht in eine Marsumlaufbahn eintritt aber eine weitere zusätzliche Kapsel.

Ich habe hier mal errechnet was an Nutzlast übrig bleibt, wenn man mit 190 t startet und stufenweise mehr Leistung zur Verfügung stellt: (spezifischer Impuls 30 km/s)

Leistung	Dauer	Bruttonutzlast	Tanks	Triebwerke	Solarzellen [100 W/kg]	Nettonutzlast
700 kW	648 Tage	132,5 t	10,2 t	1,7 t	7 t	113,6 t
1 MW	452 Tage	132,8 t	10,1 t	2,4 t	10 t	110,2 t
1,5 MW	300 Tage	133,0 t	10,1 t	3,5 t	15 t	104,4 t
2 MW	223 Tage	133,1 t	10,1 t	4,7 t	20 t	98,3 t
2,5 MW	178 Tage	133,1 t	10,1 t	5,9 t	25 t	92,3 t
3 MW	148 Tage	133,2 t	10 t	7 t	30 t	86,2 t
Rein chemisch	0 Tage					74,7 t

Man sieht, man kann hier die Nutzlast erhöhen, allerdings gravierend nur bei längerer Dauer. Bei 40 km/s steigt bei 3 MW (letzter Tabellenwert) die Nutzlast wieder auf 100,9 t, dann aber bei 204 Tagen Reisedauer. Das ist nahe am Wert für 2 MW.

Die unterschiedlichen Reisedauern/Nutzlasten machen trotzdem einen Sinn. Sie haben nämlich zwei Nutzen:

• Man kann die Reisedauer an die Nutzlast anpassen: wenn ich 100 t zum Mars bringen will, dann liege ich um 250 Tage Reisedauer. Wenn es 110 t sind, dauert es schon 450 Tage.

• Ich kann viel besser als beim chemischen Antrieb die Startreihenfolge entzerren. Wenn ich vier Starts mit Ionentriebwerken und einen chemischen habe, dann kann ich 452, 300, 223 und 178 Tage die unbemannten vorher starten und habe Intervalle von mindestens zwei Monaten. Beim chemischen Antrieb muss ich innerhalb eines Startfensters von typisch zwei Wochen alle starten.

Fazit

Nur mit Ionenantrieben geht es bei den zeitkritischen Teilen, das sind die mit Besatzung nicht. Aber bei den unbemannten Teilen ist es eine Alternative zum chemischen Antrieb. Es entzerrt aber auch den Zeitplan.