Xenon – teuer und selten?

Ionenantriebe haben Zukunft, Ionentriebwerken gehört die Zukunft. Sie sind das Elektroauto der Raumfahrt und wie bei den Elektrofahrzeugen taucht dann auch schnell ein Damoklesschwert auf – das Xenon wird knapp!

Xenon ist das Arbeitsgas der gängigsten Ionentriebwerke. Und da nun immer mehr Raumsonden und Satelliten Xenon einsetzen, befürchten manche, es wird knapp. Es kursiert sogar die Zahl 600 kg Xenon als weltweite jährliche Produktion durch das Netz. Das heißt Raumsonden wie BepiColombo und Dawn haben mit einem Schlag die weltweite Jahresproduktion verbraucht!.

Nun ist dem nicht so. In einem NASA-Dokument erfahre ich das die weltweite Produktion 53 t pro Jahr beträgt also rund 100-mal mehr. Doch fangen wir mal mit den Grundlagen an. Woher kommt das Xenon und warum ist es so wichtig?

Xenon ist das schwerste natürlich vorkommende Edelgas (Radon als noch schwereres Edelgas ist radioaktiv und daher nur in Spuren vorhanden – es stellt sich ein Gleichgewicht durch die Erzeugung aus dem Zerfall von Uran und Thorium und dem Eigenzerfall ein). Mit einem anderen „In“-Element Lithium teilt es zwei Eigenschaften – es gibt es eigentlich in großer Menge und es ist trotzdem teuer zu gewinnen. Lithium ist in großen Mengen im Meerwasser vorhanden (im Mittel mit 180 ppm, jedoch großen lokalen Schwankungen). Xenon ist in der Atmosphäre vorhanden. Aber mit noch geringerer Konzentration (0,087 ppm) und gleichmäßig verteilt. Durch die enorme Masse der Atmosphäre ist es wie bei Lithium aber eine enorme Menge: 20 Milliarden Tonnen!

Xenon ist das Arbeitsmedium für Ionentriebwerke. Dabei wird das Xenon ionisiert, verliert also eines oder mehrere Elektronen. Dann wird das Xenon-Ion durch das Triebwerk beschleunigt. Das geschieht durch ein elektrisches Feld, erzeugt durch eine Spannungsdifferenz zwischen Einlass und Ausgang.

Wer aufgepasst hat, merkt, ich habe gar nicht geschrieben, warum das Xenon nun für Ionentriebwerke benötigt wird. Es wird auch nicht benötigt, es ist nur am besten geeignet. Das Arbeitsmedium eines Ionentriebwerks muss aus Triebwerkssicht keine besonderen chemischen Eigenschaften haben, es ist nur von Vorteil, wenn das Atomgewicht groß ist. Durch das Ionisieren kann man keine größeren organische Moleküle einsetzen, die würden dabei meistens zerfallen, deswegen nimmt man als Arbeitsmedium ein Element, das eine hohe Atommasse hat. Und das Element, das gasförmig ist und die höchste Atommasse hat, ist Xenon. Der Gaszustand macht das Fördern sehr einfach. Es genügt ein Druckgastank und ein Reduzierventil.

Es ist aber nicht als einziges Element geeignet. Als ich mich mit Ionentriebwerken erstmals beschäftigte, wurden die meisten von ihnen mit Quecksilber angetrieben. Quecksilber hat die Atommasse 200, Xenon nur eine von 131 (Alle Angaben sind gerundet, das ist für meine Chemikerkollegen sehr wichtig). So gesehen ist Xenon sogar Quecksilber unterlegen. Auch die Ionisierungsenergie ist geringer. Im Handling ist Quecksilber etwas problematischer. Als Flüssigkeit ist es natürlich etwas schwerer zu fördern als ein Gas, doch dafür gibt es auch seit Jahrzehnten Lösungen für andere flüssige Treibstoffe. Als Nebeneffekt ist das Gesamtsystem leichter, denn die Druckgastanks für Xenon sind recht schwer. Doch in den letzten Jahrzehnten hat Xenon Quecksilber als Treibstoff für Ionentriebwerke völlig verdrängt. Sogar bestehende Triebwerke wie das RIT-10 wurden umgerüstet. Ist Xenon ein viel besserer Treibstoff? Nein, nur die Gesetze wurden verschärft. Ein Triebwerk mit 1 kW Leistung und einem spezifischen Impuls von 35000 m/s verbraucht in seiner „Garantielebenszeit“ von 10.000 Stunden rund 40 kg Treibstoff. Es muss für diese Lebensdauer qualifiziert werden und dann landen eben 40 kg Quecksilber in der Testkammer. Selbst wenn man den Großteil davon wieder auffangen kann – Quecksilber verdampft leicht, ebenfalls eine für den Betrieb positive Eigenschaft. Kurz man hat mit etlichen Arbeitsschutz- und Umweltauflagen erfüllen und das geht viel einfacher mit Xenon.

Gibt es weitere Alternativen? Ein Treibstoff für Ionentriebwerke sollte:

• eine hohe Molekularmasse haben
• leicht werfdampfbar sein
• gut ionisierbar sein
• ungiftig sein

Das letzte erfolgt primär aus der Tatsache, dass man jedes Triebwerk wie beschrieben im Dauertest auch erproben muss, die 10.000 Stunden erscheinen lange, wurden Raumsonden aber schon überschritten. Das liegt am niedrigen Schub. Das obige Triebwerk hat nur einen von 0,04 N. Wenn es 20 Jahre lang einen 1440 kg schweren Satelliten im geostationären Orbit um 50 m/s pro Jahr in der Geschwindigkeit verändert, kommt es exakt auf 10.000 Betriebsstunden.

Damals gab es noch einen weiteren Stoff, der geeignet schien, das ist das Alkalimetall Cäsium. Cäsium hat die Atommasse 133, etwas höher als Xenon. Es ist sehr reaktiv, was aber bei Tests kein wirkliches Problem darstellt, denn das System muss ja abgeschlossen sein. Es ist auch leicht ionisierbar. Der Hauptnachteil ist, das es bei Normaltemperaturen fest ist. Es ist jedoch bei 29 °C schmelzbar, eine Temperatur, die man leicht erreichen kann.

Ich persönlich würde die Liste noch um Brom und Iod erweitern. Brom ist ebenfalls bei Normaltemperaturen flüssig, hat aber mit Atommasse 90 ein geringeres Atomgewicht als die obigen Elemente, verdampft noch dazu leicht. Iod sublimiert schon bei Normaltemperaturen, erst recht wenn man ein Vakuum anlegt, sodass der Schmelzpunkt (114 °C) und Siedepunkt (185 °C) eher theoretischer Natur sind. Seine Atommasse von 127 liegt bei denen von Xenon und Cäsium. Alle diese Elemente sind nicht selten und dürften als Ersatz in Frage kommen.

Doch zurück zum Xenon. Ist es nun so selten und so teuer? Nun der NASA-Artikel belehrt uns: Es fällt bei der großtechnischen Luftverflüssigung an und genauso wie die Produktion von Flüssiggasen zugenommen hat, da man reinen Sauerstoff oder Stickstoff in zahlreichen technischen Prozessen braucht, ist auch die Produktionsmenge des Nebenprodukts Xenon angestiegen. Das Gas wird zuerst mit Krypton und anderen Spurengasen, die bei hohen Temperaturen sich verflüssigen, aus der Luft abgetrennt. Dann wird das Gas durch chemische Verfahren gereinigt, wobei alle polaren Gase reagieren. Das entstehende Krypton/Xenon Gemisch wird dann noch in Krypton und Xenon aufgeteilt. Entsprechend der steigenden Produktion ist der Preis in den letzten Jahrzehnten dramatisch gefallen. Allerdings gab es auch wieder zwei Preissprünge.

Derzeit kostet ein Liter 7 bis 15 Dollar. Das leitet mich zu einem Problem über – was ist ein Liter? Bei einer Flüssigkeit ist das klar. Bei einem Gas, das komprimiert werden kann und üblicherweise in Flaschen mit 150 bis 200 Bar Druck gehandelt wird, ist das nicht so eindeutig. Ich war bei den Preisen von mehreren Dollar pro Liter (bei 1 Bar Druck wiegt ein Liter nur 5,9 g) der Meinung es müsse sich auf 1 l in einer Druckgasflasche handeln, also 860 bis 1140 g. Aber wenn ich die Menge von 53 t 2015 mit der Menge von 12.200 m³ 2018 in diesem Artikel in Verbindung setze und ein Kubikmeter dann 11.000 Euro kostet, dann müssen in der Tat Liter unter 1 bar Druck gemeint sein. Nach dem Artikel ist mit einem weiteren Preisanstieg zu rechnen. Denn die Nachfrage steigt. Benötigt. Neben der Beleuchtung wird das Gas in der Analyse und Narkosemedizin benötigt und eben auch für Satelliten. Sie stellten bisher 10 % der Jahresproduktion. Ob eine Nachfrage von 3000 kg pro Jahr für Ionenantrieben nicht den Markt beeinflusst wie der NASA-Bericht meint würde ich daher nicht unterschreiben wollen.

11 Euro pro Liter das sind bei 5,9 g/Liter ein Kilogrammpreis von 1.864 Euro. Das Gas ist also teurer als Silber. SpaceX setzt um Geld zu spanen daher Krypton ein. Krypton ist auch ein Edelgas. Es hat aber nur Atommasse 84 und kommt häufiger vor: Die Atmosphäre besteht zu 1,14 ppm aus Krypton. Es ist also 13-mal häufiger als Xenon. So wurden auch 130.000 m³ Krypton 2017 gehandelt bei einem Preis von 85 Euro pro Kubikmeter. Es ist also 130-mal billiger als Xenon.

Als Edelgas hat es die gleichen chemischen und physikalischen Eigenschaften wie Xenon. Hat SpaceX also wieder einen „Coup“ gelandet? Nein, es ist eine typische SpaceX-Lösung. Da die Firma nur für sich selbst entwickelt, kann sie andere Losungen einschlagen als andere Raumfahrtfirmen. Diese produzieren für zahlreiche Kunden, die Satelliten bauen und da gibt es eben eine funktionierende Infrastruktur für Xenon. Von den Tanks bis zu den Triebwerken. Natürlich könnten auch Airbus, Aerojet, Boeing und andere Hersteller von Ionentriebwerken sich auf Krypton umstellen. Doch dann müssten sie alles neu qualifizieren müssen. Und das kostet und es dauert. Die Sparmethode ist ja nichts Neues. Bei der Dragon setzt SpaceX Solarzellen aus kommerziellen Modulen ein, nicht weltraumtauglich. Sie verlieren rapide an Leistung doch da die Dragon für Transporte nur kurze Zeit im Weltraum ist, ist dies nach SpaceXangaben die bessere Lösung. Ebenso wie die nicht strahlenresistenten Elektronikbauteile, SpaceX setzt strahlentolerante Bauteile ein, wie sie auch in der Luftfahrt genutzt wurden. Dafür redundant. Kein Wunder, das bei der zweiten Mission dann der Compter schon kurz nach dem Start einen Reboot hatte. Für die Crewed Dragon musste man dann alles auf raumfahrttaugliche Systeme umkrempeln. Als Folge ist nun beim Frachttransport, wo dieselben Systeme zum Einsatz kommen, SpaceX inzwischen der teuerste Anbieter, trotz Wiederverwendung von Rakete und Kapsel!

Beim Einsatz ist der einzige Nachteil von Krypton, das die Endgeschwindigkeit eines Ions von der Masse abhängt. Ein leichtes Ion wird schneller beschleunigt und verlässt so das Triebwerk schneller mit einer niedrigeren Endgeschwindigkeit. Als das RIT-10 noch mit Quecksilber arbeitete, hatte es eine Ausströmgeschwindigkeit von 38,5 km/s. Das heutige Modell, angetrieben mit Xenon, nur noch 30 km/s. Das liegt an der geringeren Atommasse (200 zu 131). Bei Krypton ist sie noch geringer. Natürlich kann man sie wieder steigern durch Erhöhen der Spannungsdifferenz. Für SpaceX, die ja nur ihre eigenen Kleinsatelliten damit ausrüstet, ist der Weg gangbar. Ich habe es mal simuliert: bei (angenommenen) 5 m² abbremsender Fläche und 220 kg Masse benötigt ein Satellit in der erdnächsten Umlaufbahn (340 km Höhe) der Starlink-Konstellation bei einer mittleren Sonnenaktivität (120 SFU) eine Korrekturkapazität von 283 m/s pro Jahr um diese zu Bahnhöhe zu halten. Bei 10 Jahren Einsatzdauer sind das 2830 m/s. Viel, aber wenig, wenn man dies mit dem ΔV von Dawn oder Bepi Colombo vergleicht. Ob der Antrieb dann 20 km/s oder 30 km/s Ausströmgeschwindigkeit bietet, schlägt sich dann nur in 9 kg mehr Treibstoff nieder.

Zumindest innerhalb von Erdumlaufbahnen oder für das Station-Keeping sind die ΔV so gering, das Krypton auch für viele andere Satelliten eine Alternative wäre. Doch in der Raumfahrt zählt weniger der Preis des Gases, als vielmehr der Systempreis. Umgekehrt kann ich die Entscheidung von SpaceX verstehen: 7518 Satelliten in 340 km Höhe multipliziert mit 40/31 kg Treibstoff (bei obiger Rechnung) sind 300 bzw. 233 t. 233 t Nachfrage in wenigen Jahren bei 53 t Produktion pro Jahr dürften den Preis explodieren lassen. Bei Krypton ist die Produktionsmenge mit rund 450 t pro Jahr erheblich höher und der Einfluss viel kleiner.

Mein Tipp für SpaceX: bietet doch eure Hall-Antriebe auch anderen Firmen an. So setzt sich vielleicht Krypton durch.

Auf der anderen Seite: die Nachfrage wird ansteigen. Die ganzen Satellitenkonstellationen, die kommen werden, benötigen zwar nicht so viel Treibstoff, da sie sich in höheren Umlaufbahnen befinden, aber ihre Masse machts. Man sollte nach Alternativen Treibstoffen suchen, auch weil spätestens, wenn man wirklich nachdenkt, Ionenantriebe für bemannte Missionen einzusetzen man nicht mehr von Hunderten Kilogramm pro Mission, sondern 10+ Tonnen rechnet. Alleine das Modul in NASAs letzter Marsreferenzmissoon braucht 12 t Treibstoff und das auch nur für Bahnkorrekturen nach Erreichen der Sonnenumlaufbahn. Würde man wie es ideal wäre, schon von der Erdumlaufbahn aus Ionenantriebe einsetzen, dann benötigt man noch viel mehr Treibstoff und dann wird der Preis explodieren.

[Edit]

Ich fand eine ältere NASA-Untersuchung die deutlich die Nachteile von Krypton aufzeigt: der spezifische Impuls ist niedriger als bei Xenon und vor allem scheint es eine viel stärkere Erosion zu geben, welche die Lebensdauer des Antriebs herabsetzt. Beides dürfte aber bei Lagereglungstribewerken keine so große Rolle spielen.

https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19920022657.pdf