Das neue „luftbetriebene“ Satellitentriebwerk kann als Treibstoff direkt in die Erdatmosphäre eingeatmet werden und möglicherweise in Zukunft auf unbestimmte Zeit im Orbit bleiben.

Zusammenfassung:

Ein neues Satellitentriebwerk, das die obere Erdatmosphäre direkt als Treibstoff nutzen kann, erregt Aufmerksamkeit in der Luft- und Raumfahrtindustrie.

Das Konzept stammt aus der Doktorarbeit von Francesco Romano, einem Forscher an der Universität Stuttgart in Deutschland. Die Kernidee besteht darin, die atmosphärischen Moleküle, die den Satelliten ursprünglich abgebremst haben, in Treibstoff für das Antriebssystem umzuwandeln und so Faktoren, die den Betrieb des Satelliten behindern, in Energiequellen umzuwandeln, die zur Aufrechterhaltung der Umlaufbahn erforderlich sind.

In der Region der extrem niedrigen Erdumlaufbahn, die etwa 100 bis 450 Kilometer von der Erde entfernt ist, können Satelliten viele einzigartige Vorteile erzielen. Durch die Nähe zum Boden können Fernerkundungsgeräte klarere Bilder erfassen und Kommunikations- und Radarsysteme benötigen deutlich weniger Strom. Gleichzeitig kann der atmosphärische Widerstand in diesem Bereich den Satelliten auch auf natürliche Weise zurück in die Atmosphäre ziehen und verbrennen, nachdem er verschrottet wurde, wodurch das Problem der langfristigen Ansammlung von Weltraummüll verringert wird.

Diese Vorteile haben jedoch einen gravierenden Nachteil.

Selbst in einer Höhe von Hunderten von Kilometern wird die Restatmosphäre weiterhin Satelliten verlangsamen. Wenn der Schub nicht kontinuierlich erneuert wird, nimmt die Umlaufhöhe des Satelliten allmählich ab und er fällt schließlich in die Atmosphäre. Daher sind Satelliten, die derzeit in niedrigeren Umlaufbahnen operieren, in der Regel auf Bordantriebssysteme angewiesen, um regelmäßige Bahnkorrekturen vorzunehmen, und diese Antriebssysteme müssen über begrenzte Treibstoffreserven verfügen.

Herkömmliche elektrische Antriebssysteme verwenden meist teure Treibstoffe wie Xenon. Sobald der Treibstoff aufgebraucht ist, endet die Missionslebensdauer des Satelliten normalerweise zwangsweise, unabhängig davon, ob der Satellit selbst noch intakt ist.

Die von Romano vorgeschlagene Lösung gehört zum „atmosphärisch atmenden elektrischen Antriebssystem“. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden sammelt dieses System während des Fluges direkt die entgegenkommende dünne Atmosphäre, leitet die Gasmoleküle in das Triebwerk ein und wandelt diese Moleküle dann mithilfe eines elektrischen Felds in Plasma um, das dann nach hinten ausgestoßen wird, um Vortrieb zu erzeugen.

Theoretisch kann der Satellit, solange er sich noch auf einer Orbitalhöhe mit Restgas befindet, weiterhin eine Treibstoffquelle erhalten, ohne eine große Menge zusätzlichen Treibstoffs mitführen zu müssen.

Diese scheinbar einfache Idee in die Realität umzusetzen, ist jedoch nicht einfach.

Forscher weisen darauf hin, dass eine der größten Herausforderungen in Umgebungen mit extrem niedriger Umlaufbahn vom atomaren Sauerstoff ausgeht. In der oberen Atmosphäre zerlegt ultraviolettes Licht gewöhnlichen Sauerstoff in einatomigen Sauerstoff. Diese Substanz verfügt über eine extrem starke Oxidationsfähigkeit und korrodiert schnell Schlüsselkomponenten wie Metallelektroden, Beschleunigungsgitter und Kathoden in herkömmlichen Ionentriebwerken.

Besonders das Kathodensystem, das für die Neutralisierung der Ladung verantwortlich ist, ist am anfälligsten für Schäden. Sobald die Kathode ausfällt, kann der Satellit geladene Teilchen nicht mehr normal ausstoßen und auch das Antriebssystem verliert seine Funktion.

Außerdem ist die obere Atmosphäre keine stabile Umgebung. Die Gasdichte schwankt je nach Tag- und Nachtwechsel, Sonnenaktivität und Orbitalposition, was die Konstruktion des Antriebssystems zusätzlich erschwert.

Um diese Probleme zu lösen, entwickelte Romano einen neuen Typ eines Hochfrequenz-Spiralwellen-Plasmatriebwerks. Im Vergleich zu herkömmlichen Ionentriebwerken ist dieses Design nicht auf korrosionsanfällige Neutralisatoren und Kathodensysteme angewiesen und erfüllt Antriebsaufgaben durch die Erzeugung eines quasi neutralen Plasmastrahls, der sowohl positive als auch negative Ionen enthält.

Das Forschungsteam entwickelte außerdem spezielle atmosphärische Sammelstrukturen. Am effektivsten ist eine Luftansaugvorrichtung mit parabolischer Spiegelstruktur. In Experimenten konnte dieses Design etwa 94,3 % der entgegenkommenden Gasmoleküle einfangen. Auch wenn die Satellitenlage bis zu einem gewissen Grad abweicht, ist der Rückgang der Sammeleffizienz relativ begrenzt.

Der Kernteil des Triebwerks weist ein strukturelles Design auf, das der „Vogelkäfigantenne“ in Magnetresonanztomographiegeräten ähnelt. Testergebnisse zeigen, dass diese Lösung etwa 99 % der Hochfrequenzenergie in das Triebwerk übertragen kann, wodurch der durch die herkömmliche Spulenstruktur verursachte Energieverlust erheblich reduziert wird.

Laborsimulationsergebnisse zeigen, dass das Antriebssystem nur 50 bis 60 Watt Leistung benötigt, um einen stabilen Plasmastrom zu bilden, und dass in einer tatsächlichen Orbitalumgebung die erforderliche Leistung zur Aufrechterhaltung des Dauerbetriebs voraussichtlich weniger als 1,6 Kilowatt beträgt. Forscher glauben, dass dieser Bedarf durch gewöhnliche Solarmodule vollständig gedeckt werden kann.

Wenn die Systemleistung den Erwartungen entspricht, kann der Satellit Modellrechnungen zufolge über einen längeren Zeitraum eine Umlaufbahn in einer Höhe von etwa 190 bis 250 Kilometern aufrechterhalten, ohne dass herkömmliche Treibstoffe nachgefüllt werden müssen. Dies bedeutet nicht nur, dass die Missionsdauer erheblich verlängert werden kann, sondern auch die Startqualität und die Missionskosten können reduziert werden.

Die Forscher betonten, dass sich diese Technologie noch im Stadium der experimentellen Verifizierung und theoretischen Modellierung befindet und noch nicht durch reale Weltraummissionen getestet wurde. Seine langfristige Zuverlässigkeit, die Anpassungsfähigkeit an die Umlaufbahnumgebung und die tatsächliche Antriebseffizienz müssen noch weiter überprüft werden.

Dennoch ist die Branche im Allgemeinen davon überzeugt, dass atmosphärische Atmungsantriebssysteme eine wichtige Richtung für die Entwicklung von Satelliten mit extrem niedriger Umlaufbahn darstellen. Bei einem erfolgreichen Einsatz in der Zukunft wird erwartet, dass die nächste Generation von Erdbeobachtungssatelliten, Kommunikationssatelliten und sogar anderen Planetensonden zur Aufrechterhaltung des Betriebs auf Erdgas in der Umgebung angewiesen ist und so die Abhängigkeit von herkömmlichen Treibstoffen beseitigt.