Die Antwort an Jewgeni-7

Jewgnei-7 ist nach mir der fleißigste Blogkommentierer. Leider sind seine Kommentare sehr lang, haben oft wenig mit dem Thema zu tun und ein Mix verschiedener Themen, sodass eine Antwort recht schwierig ist. Ich finde mehrere, kürzere, thematisch eingegrenzte Kommentare besser. Allerdings habe ich die Vermutung es geht weniger um Kommentare, als vielmehr nutzt Jewgeni diesen Blog als Informationsmöglichkeit für Raumfahrtinteressierte. Hier wäre der bessere Weg eines Gastartikels. Ich kann auf Wunsch gerne einen Autorenaccount anlegen, alternativ den langen Kommentar an bl at bernd-leitenberger.de schicken und ich veröffentliche ihn dann.

Zu dem Kommentar zu Ionentriebwerken und der ISS will ich aber noch etwas dazusagen, denn ich vermisse hier einige wichtige Informationen zu den Fakten. Jewegenis-7 Originaltext ist in fetter Schrift, es ist nur ein Teil, der Rest bezieht sich auf das Budget von Roskosmos.

Kein VASIMR-Triebwerk für die ISS ?

Schon vor Jahren wollte die NASA elektrische Triebwerke auf der ISS einsetzen, auch Roskosmos plante elektrische Antriebsmotoren, die Jod als Arbeitsmedium verwenden. Im Sommer 2018 hat die russische Anlage Bodentests bestanden. Fakten haben aber die Chinesen mit ihrer neuen Raumstation und Ionentriebwerken geschafft.

Ein Ionenantrieb kann im Prinzip jeden Stoff als Arbeitsmedium nutzen, da keine chemische Reaktion stattfindet. Verbindungen, die bei der Ionisation reagieren können, werden aber nicht eingesetzt, übrig bleiben die Elemente. Ein guter Treibstoff hat folgende Eigenschaften:

• Er ist leicht ionisierbar – die nötige Energie erhält man nicht zurück.

• Er ist leicht förderbar – Gase und Flüssigkeiten sind hier vorteilhaft, Feststoffe sollten leicht in den gas- oder flüssigen Zustand überführbar sein

• Er hat eine hohe Molekularmasse – die Ionen werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt, die Endgeschwindigkeit ist dabei abhängig vom Feld, der Schub ergibt sich aber aus dem Produkt der Masse x Endgeschwindigkeit.

Bisher verwendet man Xenon das gasförmig ist und eine hohe Molekülmasse hat, aber eine hohe Ionisierungsenergie hat. SpaceX verwendet das nächstniedrigere Edelgas Krypton, das wegen der kleineren Masse nicht so optimale Werte hat, aber erheblich billiger ist. Für die kleinen dV Manöver der Starlinksatelliten ist das ohne Bedeutung. Erheblich billiger sind Stoffe wie Iod oder Cäsium. Iod ist leicht sublimierbar, Cäsium leicht in den flüssigen Zustand überführbar. Beide haben eine hohe Molekülmasse und niedrigere Ionisierungsenergie. Iod wird soweit ich weiß, aber vor allem für Mikroschubtriebwerke erprobt.

Wie schon kurz berichtet, die von China im Bau befindliche Orbitalstation Tiangong wird dank vier Hall-Effekt-Ionentriebwerken – das sind LHT-100-Triebwerke mit einem Schub von 80 mN – in einer bestimmten Umlaufbahn gehalten. Für die Wartung der Tiangong-Station werden beispielsweise weniger als 400 kg Treibstoff, während die ISS etwa 4 Tonnen Treibstoff benötigt, um sie pro Jahr im Orbit zu halten.

In einem korrekten Vergleich wären einige Parameter zu erwähnen wichtig, die hier leider komplett fehlen. Wie viel Treibstoff und Schub eine Station benötigt hängt ab:

• Von der Masse – Tiangong Space Station mit angedocktem Shenzhou etwa 31 t, die ISS ohne Transporter 420 t mit mehreren Transportern um die 450 t.
• Von der Bahnhöhe – die 389 km Höhe von Tiangong bedeuten schon 10 % mehr Abbremsung gegenüber 407 km bei der ISS.
• Von der Fläche: Hauptwiderstand leisten die Solarpaneele, dies waren vor den neuen IROSA Panels schon 2500 m², bei Tiangong sind es nur 134 m².

In zwei der drei Punkte liegt die ISS um den Faktor 15-17 höher, sodass mir 400 kg Treibstoff als relativ viel erscheint und ich annehme das es sich nur um chemischen Treibstoff handelt. Die ISS mit ihrer viel größeren Masse und viel größeren Solarpaneelen käme ja mit rund 300 kg pro Jahr bei reinem Einsatz von Ionentriebwerken aus. Ebenso sind die 320 mN Schub (die ISS benötigt wie im Artikel geschrieben etwa 700 mN) als deutlich überdimensioniert, ich vermute aber es wird immer nur ein Triebwerk eingesetzt, da die vier Triebwerke bei einer Lebensdauer von 6240 Stunden ja für 15 Jahre den Orbit aufrechterhalten sollen und das wäre sonst nur eine Betriebszeit von 400 Stunden pro Jahr.

Ein geschlossenes Institut in Shanghai beschäftigt sich mit der Entwicklung vielversprechender Ionentriebwerke in China. Für Flüge in den Weltraum und zum Aufbau von Transportverbindungen zu Mond und Mars werden vielversprechende Hall-Effekt-Ionentriebwerke mit einer Leistung von 5 MW bis 500 MW entwickelt. Ein Testlauf des HET-3000-Triebwerks über 8.240 Stunden zeigte, dass die neuen Triebwerke in der Lage sind, das für Langstreckenflüge notwendige Antriebssystem mindestens 15 Jahre lang zu betreiben.

Nur hat das HET-3000 Triebwerk nichts mit diesen Antriebsleistungen zu tun. Es ist nach einem PDF ein Triebwerk mit einer Spitzenleistung von 2,5 N Schub, einem spezifischen Impuls von 2800 s und maximal 50 kW Leistungsaufnahme. Getestet wurde es aber bisher mit maximal 15 kW Leistung. Siehe http://www.aerospacechina.org/EN/abstract/abstract324.shtml#1

Ionentriebwerke haben jedoch auch einen irreparablen Schwachpunkt – die Strahlruderelektroden befinden sich innerhalb des Hochtemperatur-Plasmastroms, was dessen Ressourcen begrenzt. Das bisher fortschrittlichste Ionentriebwerk der NASA, NEXT, hat einen spezifischen Impuls von 41,9 km / s. Doch für solche Rekordparameter müssen Ionentriebwerke mit geringem Schub zahlen – NEXT liefert nur 327 mN (32,7 Gramm Schub) bei einer Leistungsaufnahme von 7,7 kW.

Das ist nicht korrekt. Es hängt von der Technologie ab, welcher Teil des Triebwerks der Schwachpunkt ist. Bei der in Deutschland entwickelten Radiofrequenzionisation ist das für die Lebensdauer limitierende Teil nicht die Elektrode, sondern das Austrittsgitter und das wird weitaus weniger stark erodiert, Entsprechend sind RIT Triebwerke für mindestens 20.000 Stunden Betrieb qualifiziert während als allgemeiner Standard 10.000 Stunden gelten und die obigen Triebwerke von China sogar nur 6.240 Stunden erreichen. Ebenso stimmt die Angabe des Rekordhalters nicht. HIPEP hat 39,3 kW Leistungsaufnahme, 670 mN Maximalschub und einen spezifischen Impuls von bis zu 9620 s.

Für Marsflüge muss der Schub der Plasmatriebwerke natürlich in Hunderten Kilogramm gemessen werden, nicht in Hunderten Gramm. Beeindruckend sollte auch die Stromquelle an Bord eines solchen hypothetischen Mars-Raumschiffs sein – sie sollte eine Leistung von etwa 200-400 MW haben.

Ionentriebwerke werden für Marsmissionen nur eine ergänzende Rolle spielen. Das liegt an zahlreichen Punkten. Zum einen kann der chemische Antrieb das Gravitationspotenzial der Planeten ausnutzen und so die benötigte dv Änderung verringern. Chemisch braucht man, um von einer Fluchtbahn in eine exzentrische Marsumlaufbahn zu gelangen, nur rund 1600 m/s, mit dem Ionenantrieb sind es über 6000 m/s. Damit sich Ionentriebwerke wirklich lohnen, müssten sie praktisch vom Leo ausgehend alle Manöver durchführen, damit dann aber die Reisezeiten erträglich bleiben und in der Erdumlaufbahn die Van Allen Strahlengürtel schnell passiert werden sind dann wirklich hohe Leistungen wie oben skizziert nötig. Dann geht aber das für chemischen Treibstoff eingesparte Gewicht für die Stromversorgung drauf.

Noch gravierender: Ionentriebwerke sind nicht beliebig verkleinerbar. Die Fläche die sie benötigen wird bestimmt von der maximalen Feldstärke am Ausgang. Gängige Ionentriebwerke liegen hier bei maximal 4 N/m². Setzt man die Fläche eines typischen ISS Moduls an, so erhält man einen Schub von 60 Newton, entsprechend einer Leistungsaufnahme von rund 2 MW. Es gibt schlicht und einfach nicht den Platz für die Triebwerke mit Leistungsaufnahmen von 200 bis 500 MW. Daher forscht die NASA an Triebwerken mit einem höheren spezifischen Impuls, auch wenn dann der Schub sinkt, da dieser bei gleicher Feldstärke durch eine höhere Spannung erreicht werden kann. HIPEP ist so ein Ansatz. In Europa hat man zumindest theoretisch die Hintereinanderschaltung zweier Beschleunigungsstufen untersucht und meint, das dies möglich ist, sie käme, dann auf 196 km/s wobei die Fläche nicht größer wäre als bei einem Triebwerk mit 30 oder 40 km/s spezifischem Impuls. So werden Ionentriebwerke nur eine ergänzende Rolle spielen, um die Reisedauer leicht zu reduzieren oder etwas vom chemischen Treibstoff einzusparen.

Für die ISS war schon lange ein kleines VX-200SS-Plasmatriebwerk zum Testen vorgesehen. Auf einer Station installiert, ist es möglich, die Kosten für die kontinuierlichen Bemühungen zur Aufrechterhaltung der ISS-Umlaufbahn drastisch zu reduzieren. Immerhin benötigt ein Plasmatriebwerk nur 1-2% der Arbeitsflüssigkeit im Vergleich zu einem Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk, das heute zum Anheben der ISS-Umlaufbahn verwendet wird.

Ad Astra Rocket hat im Jahr 2015 Verträge mit der NASA abgeschlossen, damit das Unternehmen umfangreiche Tests seines VASIMR-Triebwerks durchführen konnte. Ziel war es, 2018 den Dauerbetrieb eines 100-Kilowatt-VASIMR-Plasmamotors zu testen. In seiner aktuellen Ausführung ist der Motor mit 200 Kilowatt auf optimale Leistung ausgelegt. Das in Entwicklung befindliche Gerät basiert auf dem Gesamtkonzept des VX-200, besteht aber aus zwei nahezu parallelen Motoren mit je 100 Kilowatt und einen spezifische Impuls von 5.000s.

Aber die Installation von VASIMR auf der ISS erwies sich als alles andere als einfach. Die gesamte verfügbare elektrische Leistung auf der ISS beträgt weniger als 200 kW, obwohl die Station heute die beeindruckendste Fläche von Sonnenkollektoren hat und das energetisch stärkste Objekt der Menschheit im Weltraum ist. Daher umfasste das ISS-VASIMR-Projekt auch ein ganzes zusätzliches System von Solarbatterien, die stundenlang Energie für 15-minütige Zyklen des Einschaltens des Plasmamotors akkumulieren.

Die NASA hat aber beschlossen, die Tests des VASIMR abzubrechen, da die Wissenschaftler noch nicht in der Lage waren, die Stromquelle zu finden, mit der dieses Triebwerk funktionieren würde. Die vielversprechendste Energiequelle könnte eine Nukleare Anlage sein, aber ihre Verwendung auf der ISS könnte unsicher sein.

Der nächste, naheliegende Schritt nach den Tests auf der ISS, wäre der Einsatz von VASIMR für einen Orbitalschlepper. Um dieselbe Aufgabe wie die dritte Stufe von Saturn-5 zu erfüllen, die auf ihrem Weg zum Mond 60 Tonnen Sauerstoff und Wasserstoff verbrannte, hätte ein solcher Schlepper nur 8 Tonnen Argon verbraucht. 1,5 MW Strom aus Sonnenkollektoren zu gewinnen, ist jedoch immer noch eine sehr schwierige Aufgabe. Um 1,5 MW Strom zu bekommen, benötigt der Schlepper etwa 5.000 m² Sonnenkollektoren, ein Quadrat mit einer Seitenlänge von 71 Metern.

VASIMR hat gegenüber seinen Konkurrenten aus der gesamten Elektroantriebsmühle noch einen weiteren Vorteil: Bei ihm kommt das Plasma an keiner Stelle mit den Apparateteilen, sondern nur mit den Feldern in Berührung. Das bedeutet, dass das Gerät von Ad Astra viele Monate und sogar Jahre ohne Zerstörung der Struktur arbeiten kann – was benötigt wird, um Raumschiffe auf ihrem Weg in die Tiefen des Sonnensystems zu beschleunigen oder die Umlaufbahn von Satelliten zu korrigieren.

Fakt: Klassische Ionenraketentriebwerke haben einen wunden Punkt – die Erosion der Gitterelektroden. VASIMR hat solche einfach nicht.

Nö VASIMIR hat einen fundamental anderen Nachteil: Man benötigt den ganzen Strom der ISS, um es auch nur kurzzeitig zu betreiben. Batterien aufladen für die Nachtseite oder andere Verbraucher gehen dann nicht, wenn die ISS selbst bisher nur 120 kW Leistung liefert. Das Triebwerk ist einfach um den Faktor 10 zu groß für die Aufgabe. Wie im Artikel beschrieben reichen rund 20 kW für die Bahnerhaltung aus. Mit Radiofrequenzionisation arbeiten auch die RIT Triebwerke. Für 10 Jahre Betrieb der ISS würde man redundante Triebwerke benötigen, aber selbst die wiegen dann nur 82 kg und nicht 2,6 t wie der VASIMIR-200 Antrieb. Kurz: für die ISS VSS-200 bringt er keine Vorteile, nur Nachteile und auch für die aktuelle Marsreferenzmission denkt die NASA an kleinere Antriebe der 10 – 20 kW Klasse.

Australische Wissenschaftler wollten 2017 einen Neumann Drive-Motor auf der ISS testen. Dieses Triebwerk ist wie seine engsten Gegenstücke hocheffizient, aber sein Hauptunterschied besteht darin, dass es verschiedene Metalle als Treibstoff verwenden kann. Auf der Liste der Kraftstoffe ganz oben steht Molybdän, ein Schwermetall mit hohem Schmelzpunkt.

Wieder eine Variante des Ionenantriebs, diesmal eine der elektromagnetischen Technologie, bei der man einen Plasmaantrieb mit einer Beschleunigungsstufe kombiniert, so hat man den spezifischen Impuls dieses Antriebs gesteigert. Ansonsten hat diese Technologie aber nur Nachteile. Die Plasmaerzeuegung benötigt viel Energie, damit sinkt der Wirkungsgrad und durch den Lichtbogen werden die Elektroden schnell erodiert, die Lebensdauer ist daher gering. Der Name hat übrigens nichts mit dem bekannten Mathematiker zu tun, sondern dem namensgleichen Erfinder.

Wahrscheinlich werden aber die ISS Triebwerke, das sind die DKS, DPS und DTS, die Anfang der 70er Jahre entwickelt wurden und für heutige Zeiten wenig effektiv sind, weiter ihren Dienst tun.

Sicher, weil man nur am russischen Segment für Bahnänderungen andocken kann und nach Ausmustern des ATV sind das nur die Progress und die wurden eben in den Siebzigern entwickelt.

Ich vermisse im Kommentar eine Einordnung und Diskussion der Konzepte, vor allem aber das bei den meisten angeführten Technologien man sich auf einem niedrigen Technologiestand befindet, das heißt sie vom operativen Einsatz weit entfernt sind.