Die National Aeronautics and Space Administration (NASA) gab kürzlich bekannt, dass ein neues, mit Lithium versorgtes experimentelles Ionentriebwerk mit Magneto-Plasma-Energie (MPD) einen Schlüsseltest erfolgreich bestanden hat und als wichtiger Durchbruch in der Antriebstechnologie für künftige bemannte Marsmissionen gilt.Die ersten Astronauten auf dem Mars werden einer extrem rauen Umgebung ausgesetzt sein. Jeder zusätzliche Tag im Weltraum führt zu einer zusätzlichen Belastung durch tödliche kosmische Strahlung. Langfristige Isolation wird die psychische Gesundheit beeinträchtigen und die Schwerelosigkeit wird weiterhin Muskeln und Knochen schwächen. Aus diesem Grund investiert die NASA viel Energie in die Entwicklung neuer Antriebssysteme, die die Flugzeiten deutlich verkürzen können, in der Hoffnung, die Reise zum Mars in naher Zukunft auf mehrere Monate zu komprimieren.
Dieses neu vorgestellte MPD-Ionentriebwerk nutzt Lithium als Arbeitsmedium, mit einer Spitzenleistung von 120 Kilowatt und einer Schubkapazität, die 25-mal höher ist als die des stärksten elektrischen Antriebsmotors, der derzeit auf NASA-Missionen im Einsatz ist. Es gilt als wichtiger Schritt hin zu einem schnelleren und effizienteren Weltraumflug. Aktueller Vertreter ist die Sonde Psyche, die zu einem metallischen Asteroiden fliegt. Es verwendet eine Solaranlage, um einen Xenon-Ionen-Motor anzutreiben. In einer Umgebung ohne atmosphärischen Widerstand kann es allmählich auf etwa 200.000 Stundenkilometer beschleunigen, es dauert jedoch mehr als zweieinhalb Jahre, bis es diese Geschwindigkeit erreicht.
Mit der aktuellen chemischen Raketentechnologie der NASA würde der Flug von der Erde zum Mars etwa sieben Monate dauern. An der Oberfläche scheint der Ionenantrieb, der auf geringem Schub und anhaltender Beschleunigung über lange Zeiträume beruht, nicht ideal zur Verkürzung der Flugzeiten zu sein, da er langsam startet und Monate braucht, um extrem hohe Geschwindigkeiten zu erreichen. Allerdings versucht die NASA, diesen traditionellen Eindruck umzukehren, indem sie die Kombination aus Energiequelle und Antriebsmethode ändert.
Im Gegensatz zu Mind, das sich auf Solaranlagen verlässt, um Xenon-Ionen-Triebwerke anzutreiben, ist dieses neue MPD-Triebwerk als Teil eines nuklearelektrischen Antriebssystems vorgesehen, das leistungsstarke elektrische Energie aus einem Kernreaktor liefert und es dem Raumschiff ermöglicht, über lange Zeiträume im tiefen Weltraum Schubniveaus aufrechtzuerhalten, die viel höher sind als bei bestehenden Elektroantrieben. Die NASA geht davon aus, dass diese Kombination aus „Atomkraft + MPD“ die Geschwindigkeit bei gleicher oder geringerer Treibstoffmasse deutlich erhöhen und damit die Reise der bemannten Marsmission verkürzen wird.
Das MPD-Antriebskonzept stammt aus den 1960er Jahren, muss jedoch noch im Weltraum kommerzialisiert werden. Das Haupthindernis ist der enorme Energiebedarf, der die Leistungsfähigkeit von Solaranlagen bei weitem übersteigt. Dies ist eine technologische Ergänzung zum kürzlich angekündigten Kernantriebsprojekt der NASA „Space Reactor-1 Freedom“: Dieses Projekt sieht vor, in einer anderen Mission ein traditionelles Ionentriebwerk mit Xenon-Arbeitsflüssigkeit zu verwenden, und MPD stellt den nächsten Schritt zu höherer Leistung und höherem Schub dar.
Herkömmliche Ionenmotoren basieren in der Regel auf elektrostatischen Feldern, um einzelne geladene Teilchen (hauptsächlich Xenon-Ionen) zu beschleunigen und aus der Düse auszustoßen, um eine Reaktionskraft zu erzeugen. Der MPD-Motor interagiert mit Hochstrom und Magnetfeld, um das Plasma elektromagnetisch zu beschleunigen. Dieses Modell verwendet speziell Lithiummetalldampf, der im Inneren des Triebwerks zu Lithiumplasma ionisiert und dann ausgestoßen wird, um Schub zu erzielen.
Am 24. Februar dieses Jahres führte die NASA im Electric Propulsion Laboratory des Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Südkalifornien einen kritischen Zündtest an diesem MPD-Triebwerk mithilfe einer speziellen Vakuumkammer durch, die mit einem Wasserkühlsystem ausgestattet war. Während des Tests zündeten die Ingenieure den Motor fünfmal und beobachteten dabei, wie die mittlere Wolframelektrode bei Temperaturen über 2.800 Grad Celsius (ca. 5.000 Grad Fahrenheit) hell leuchtete. Daten zeigen, dass dieser neue Motor in Tests erfolgreich eine maximale Leistung von 120 Kilowatt erreichte, was mehr als dem 25-fachen des elektrischen Triebwerks der „Psychic“ entspricht.
NASA-Administrator Jared Isaacman sagte in einer Erklärung, dass die Agentur den Mars nie „aus den Augen verloren“ habe, während sie mehrere Missionen parallel vorantreibe. Er betonte, dass der Erfolg dieses Tests einen „wesentlichen Schritt“ zur Entsendung amerikanischer Astronauten zum Mars bedeute. Es ist auch das erste Mal, dass die Vereinigten Staaten dem elektrischen Antriebssystem den Dauerbetrieb auf der hohen Leistungsstufe von 120 Kilowatt erlauben. Die NASA wird weiterhin „strategische Investitionen“ tätigen, um eine solide technologische Grundlage für den nächsten großen Sprung der Menschheit zu schaffen.
Die NASA geht davon aus, dass dieses MPD-Triebwerk in zukünftigen Tests voraussichtlich die 1-MW-Leistung erreichen wird. Internen Schätzungen der Agentur zufolge könnte eine typische bemannte Mission zum Mars eine Gesamtleistung von 2 bis 4 Megawatt erfordern, was bedeutet, dass das endgültige Raumschiff wahrscheinlich über mehrere parallel arbeitende MPD-Triebwerke verfügt. In diesem Prozess wird die Frage, wie ein langfristiger zuverlässiger Betrieb der Hardware in Umgebungen mit extrem hohen Temperaturen sichergestellt und die Elektrodenerosion, ein typisches Problem der MPD-Technologie, gemindert werden kann, eine der wichtigsten Herausforderungen sein, die das Ingenieurteam bewältigen muss.
Derzeit, nach zwei Jahren Design und Konstruktion, ist das Forschungs- und Entwicklungsteam mit den Ergebnissen der ersten Testrunde zufrieden und glaubt, dass es die erste „große Schwelle“ auf dem Weg zur Technik überschritten hat. James Polk, ein leitender Forschungswissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory, sagte, dass der Test nicht nur bewiesen habe, dass das Triebwerk normal funktionieren könne, sondern auch das vorgegebene Leistungsziel erfolgreich erreicht und eine zuverlässige Testplattform für nachfolgende groß angelegte Tests geschaffen habe.
Aus einer größeren Perspektive betrachtet liegt der Vorteil der elektrischen Antriebstechnologie in ihrer extrem hohen Treibstoffausnutzungseffizienz, die den Treibstoffverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen chemischen Raketen um etwa 90 % senken kann. Durch die Kombination von Hochleistungs-MPD-Antrieben mit Kernkraft könnten theoretisch Weltraumfahrzeuge mit höherem Durchschnittsschub und kürzeren Flugzeiten ausgestattet werden, ohne die Gesamtmasse wesentlich zu erhöhen. Dies könnte eine der Schlüsseltechnologien für die erste bemannte Reise der Menschheit zum Mars werden und Astronauten wertvolle Zeit verschaffen, um Gesundheitsrisiken durch Strahlung und langfristige Schwerelosigkeit zu reduzieren.
Die NASA hat noch keinen Zeitplan für den MPD-Antrieb in bestimmten bemannten Missionen bekannt gegeben, aber dieser Hochleistungs-Bodentest gilt als wichtiger Meilenstein auf dem Weg „dem Mars einen Schritt näher zu kommen“. Angesichts der Tatsache, dass viele Länder um die Planung bemannter Marspläne konkurrieren, ist zu erwarten, dass diese neue Technologie, wenn sie erfolgreich aus dem Labor in tatsächliche Missionen übergeht, den Zeitrahmen für die Erforschung des Weltraums durch Menschen verändern wird.