Das MIT hat ein neues Mikroantriebsgerät entwickelt, das einen „Dual-Mode“-Antrieb für Mikrosatelliten ermöglichen kann. Ziel ist es, Kleinsatelliten wie CubeSat in die Lage zu versetzen, schnell zu manövrieren und große Distanzen effizient zu fliegen. Diese Technologie integriert chemischen Antrieb und elektrischen Antrieb in dasselbe Treibstoffsystem und dürfte die Missionsfähigkeiten kleiner Raumfahrzeuge erheblich erweitern.
Ein MIT-Ingenieurteam hat kürzlich ein Hybridantriebssystem für kleine Satelliten getestet, das den hohen Schub chemischer Raketen mit der hohen Effizienz elektrischer Triebwerke kombiniert und die beiden Antriebsmethoden denselben Treibstoff nutzen. Forscher sagten, dass dieses Design es voraussichtlich ermöglichen wird, dass billige, tragbare Raumfahrzeuge, die nur Missionen in der erdnahen Umlaufbahn durchführen können, weitere Missionen zur Erforschung des Weltraums durchführen und sogar zum Mars fliegen können.
Obwohl Mikrosatelliten seit langem kostengünstiger zu starten und einfacher zu stationieren sind, sind ihre Größe und ihr Treibstoffraum hinsichtlich der Antriebssysteme begrenzt. Wenn schnelle Umlaufbahnänderungen und feine Lageanpassungen gleichzeitig erfolgen sollen, erfordern herkömmliche Lösungen oft zwei unabhängige Antriebssysteme und zwei Arten von Treibstoff, was für kleine Plattformen schwer zu erreichen ist.
Dem Artikel zufolge können chemische Triebwerke in kurzer Zeit einen starken Schub erzeugen und eignen sich für schnelle Umlaufbahnänderungen; während elektrische Triebwerke, insbesondere EFI-Triebwerke, einen geringen Schub, aber eine extrem hohe Treibstoffausnutzung haben und für eine langfristige, langsame Beschleunigung geeignet sind, insbesondere für die interstellare oder interplanetare Navigation. Die beiden haben ursprünglich ihre eigenen Vorteile, es war jedoch schwierig, sie auf kleinen Satelliten kompatibel zu machen.
Der Schlüssel zu diesem Durchbruch liegt in einem Treibstoff namens ASCENT, der zuvor von der US-Luftwaffe entwickelt wurde. Der grüne Treibstoff mit der Bezeichnung „Advanced SpaceCraft Energetic Non-Toxic propellant“ wurde ursprünglich als chemischer Treibstoff entwickelt, um den hochgiftigen Treibstoff Hydrazin zu ersetzen. Später entdeckte das Forschungsteam jedoch, dass es sich im Wesentlichen auch um eine ionische Flüssigkeit handelt. Ionische Flüssigkeiten können in einer Vakuumumgebung flüssig bleiben und eignen sich daher ideal für den Einsatz in elektronischen Strahltriebwerken.
Das Team am MIT AeroAstro Laboratory unter der Leitung von Professor Paulo Lozano treibt die Forschung rund um diese Funktion voran und führt Experimente durch, indem es ASCENT in einen kleinen Tank lädt, der mit einem CubeSat verbunden ist. Die Forscher platzierten den Mikrosatelliten auf einer Magnetschwebeplattform, um die schwerelose Umgebung des Weltraums zu simulieren, und zündeten dann die Triebwerke aus der Ferne unter verschiedenen Spannungen, um ihre Betriebsleistung zu beobachten.
Testergebnisse zeigen, dass ASCENT eine stabile Antriebsleistung aufweist, mit einem Schub-Gewichts-Verhältnis von 40 bis 65 Mikronewton pro Watt, einem spezifischen Impuls von 600 Sekunden und einem Gesamtwirkungsgrad von etwa 15 %. Die Triebwerke sind außerdem in der Lage, bis zu 167 Stunden lang ununterbrochen zu arbeiten, ohne dass es zu messbaren Leistungseinbußen kommt.
Amelia Bruno, die Erstautorin des Artikels, sagte, dass die Schubleistung von ASCENT im Vergleich zu dem vom Team üblicherweise verwendeten Elektroinjektionstreibstoff ähnlich sei; Nachdem nun bestätigt wurde, dass das Triebwerk mit diesem Treibstoff kompatibel ist, kann das Design in Zukunft weiter optimiert werden. Das Forschungsteam ist davon überzeugt, dass die größte Bedeutung dieser Lösung darin besteht, dass sie es kleinen Satelliten erstmals ermöglicht, tatsächlich „einen Treibstofftank zu teilen und unterschiedliche Antriebsverhalten zu unterstützen“.
Als nächstes wird das MIT mit der NASA zusammenarbeiten, um die Green Propulsion Dual Mode-Mission voranzutreiben. Es handelt sich um einen CubeSat, der ein chemisches Triebwerk und vier EFI-Triebwerke tragen wird, die sich alle einen einzigen ASCENT-Tank teilen, und der noch in diesem Jahr starten soll. Dies sei der erste Versuch, gemeinsam genutzte Treibstofftanks auf einem Satelliten einzusetzen, sagte Lozano.
Wenn die Missionsüberprüfung erfolgreich ist, werden die Anwendungsszenarien dieser Technologie sehr vielfältig sein und von einem effizienteren Einsatz von Satellitenkonstellationen über die Echtzeitverfolgung von Hurrikanen bis hin zur Durchführung von Weltraumerkundungen über größere Entfernungen reichen. Lozano erwähnte auch, dass CubeSats in Zukunft sogar zum Mars oder zum Asteroidengürtel geschickt werden können, sodass sie zunächst mit elektronischen Triebwerken langsam segeln und dann mithilfe chemischer Triebwerke ihre Position schnell anpassen und die Details des Zielgebiets beobachten können.