Die NASA hat kürzlich erfolgreich ein experimentelles, mit Lithium betriebenes Plasmatriebwerk getestet, was einen wichtigen Schritt vorwärts für bemannte Marsmissionen darstellt. Ingenieure des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Südkalifornien starteten den elektromagnetischen Motor und erreichten so Leistungsniveaus, die von dieser Art von Antriebssystem in den Vereinigten Staaten nie erreicht wurden.
Der Test wurde am 24. Februar in der Vakuumkammer des JPL durchgeführt, die der Forschung an Hochleistungs-Elektroantrieben gewidmet ist. Während der Tests lief der Triebwerksprototyp mit mehr Leistung als jedes elektrische Triebwerk auf irgendeinem fliegenden Raumschiff der NASA. Die Forscher sagen, dass die Ergebnisse als Leitfaden für die nächste Entwicklungs- und Testphase dienen werden.
NASA-Administrator Jared Isaacman sagte: „Bei der NASA arbeiten wir an vielen Dingen gleichzeitig, aber wir verlieren den Mars nie aus den Augen. Die erfolgreiche Leistung unserer Triebwerke in diesem Test zeigt die erheblichen Fortschritte, die wir bei der Entsendung amerikanischer Astronauten zum Roten Planeten erzielt haben. Dies ist das erste Mal, dass die Vereinigten Staaten elektrische Antriebssysteme auf einem so hohen Leistungsniveau, bis zu 120 Kilowatt, einsetzen. Wir werden dies auch weiterhin tun.“ Tätigen Sie strategische Investitionen, um den nächsten großen Sprung voranzutreiben. Solche Systeme erzeugen Schub, indem sie elektrische Ströme und Magnetfelder nutzen, um Plasma auf extrem hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen. Während fünf separaten Zündtests leuchteten die Wolframelektroden des Triebwerks strahlend weiß und die Temperaturen stiegen auf über 5.000 Grad Fahrenheit (2.800 Grad Celsius). Die Tests wurden im Electric Propulsion Laboratory des JPL durchgeführt, das über eine einzigartige Einrichtung verfügt, die in der Lage ist, elektrische Triebwerke, die auf metallischen Dampftreibstoffen mit einer Leistung im Megawattbereich basieren, sicher zu bewerten.
Die Treibstoffeffizienz des elektrischen Antriebssystems ist viel höher als die herkömmlicher chemischer Raketen, und der Treibstoffverbrauch kann um bis zu 90 % reduziert werden. Anstatt für kurze Zeit einen starken Schub zu liefern, sorgen sie für einen sanften, aber anhaltenden Schub, der das Raumschiff über lange Zeiträume hinweg stetig beschleunigt. Die NASA nutzt bereits elektrische Antriebstechnologie bei Missionen wie Psyche, die derzeit die leistungsstärksten elektrischen Triebwerke der Agentur betreibt. Mit der Zeit kann das Antriebssystem von Psyche das Raumschiff auf 124.000 Meilen pro Stunde beschleunigen.
Dieses neue, mit Lithium betriebene MPD-Triebwerk könnte letztendlich deutlich mehr Schub liefern als bestehende Systeme. Obwohl sich Wissenschaftler seit den 1960er Jahren mit der MPD-Antriebstechnologie befassen, wurde die Technologie nie in praktischen Anwendungen im Weltraum eingesetzt. Bei jüngsten Tests am JPL erreichte das Triebwerk eine Leistung von 120 Kilowatt, was mehr als dem 25-fachen der Leistung der Flugtriebwerke der „Spirit Star“ entspricht.
„Die letzten Jahre der Entwicklung und des Baus dieser Triebwerke waren eine langfristige Vorbereitung für diesen ersten Test“, sagte James Polk, leitender Forschungswissenschaftler am JPL. „Dies ist ein wichtiger Moment für uns, da wir nicht nur die Funktionsfähigkeit der Triebwerke unter Beweis gestellt, sondern auch unsere angestrebten Leistungsniveaus erreicht haben. Wir wissen, dass wir über eine gute Testplattform verfügen, um mit der Lösung der Herausforderungen der Skalierung zu beginnen.“ (8 Meter lange) wassergekühlte Vakuumkammer. Wenn das Triebwerk aktiviert wird, leuchtet seine düsenartige Außenelektrode intensiv und erzeugt eine leuchtend rote Plasmawolke. Polk ist seit Jahrzehnten auf dem Gebiet der elektrischen Antriebstechnologie tätig und hat zur NASA-Mission Dawn und Deep Space One beigetragen, dem ersten Raumschiff, das elektrische Antriebstechnologie außerhalb der Erdumlaufbahn demonstrierte.
Die Forscher hoffen, die Leistung jedes Triebwerks schließlich auf 500 Kilowatt bis 1 Megawatt steigern zu können. Eine der größten technischen Herausforderungen besteht darin, sicherzustellen, dass die Hardware dem Langzeitbetrieb bei extremen Temperaturen standhält. Eine bemannte Mission zum Mars kann eine Gesamtleistung von 2 bis 4 Megawatt erfordern, was bedeutet, dass mehrere MPD-Triebwerke möglicherweise mehr als 23.000 Stunden lang ununterbrochen arbeiten müssen.
Wissenschaftler glauben, dass mit Lithium betriebene MPD-Triebwerke eine wichtige Rolle bei der zukünftigen Erforschung des Weltraums spielen könnten, da sie starken Schub mit effizienter Treibstoffnutzung kombinieren. In Kombination mit Kernenergiesystemen können sie die Startmasse reduzieren und gleichzeitig die schweren Nutzlasten transportieren, die für bemannte Missionen zum Mars erforderlich sind.
Das MPD-Triebwerksprojekt befindet sich seit zweieinhalb Jahren in der Entwicklung, eine Zusammenarbeit zwischen JPL, dem Princeton Plasma Physics Laboratory in New Jersey und dem Glenn Research Center der NASA in Cleveland. Die Finanzierung erfolgt durch das Space Nuclear Propulsion Program der NASA, das 2020 ins Leben gerufen wurde, um die Entwicklung von nuklearelektrischen Antriebssystemen im Megawatt-Maßstab für zukünftige Missionen zum Mars zu unterstützen. Die Arbeit wird vom Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, unter der Leitung des Space Technology Mission Directorate der NASA geleitet.