Wie bitte? Ein Triebwerk für den Weltraum, das mit Luft arbeitet? Gibt’s doch gar nicht! Doch, gibt es, und es wurde bereits erfolgreich von der ESA getestet.
Die ESA hat von 2009 bis 2013 erfolgreich ihren Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer, kurz GOCE, betrieben. Wie der Name schon andeutet, diente der Satellit dazu, das Gravitationsfeld der Erde exakt zu kartieren. Aufgrund von Dichteunterschieden in der Erdkruste ist das Schwerefeld der Erde nicht perfekt gleichförmig. Die Kontinente mit ihren Fundamenten, den Kontinentalschelfen, der dünne Meeresboden, die verschiedenen Meerestiefen, die Gebirge und die sich übereinander schiebenden Kontinentalplatten sorgen für Unregelmäßigkeiten, die GOCE gemessen hat, um Einblicke in das Innere der Erde zu erlangen. Auch Meeresströmungen lassen sich so beobachten. GOCE vermaß dazu das Gravitationsfeld, indem er seine Position mit GPS maß, kleinste Beschleunigungen mit einem sogenannten Gradiometer (mehr dazu auf der zugehörigen ESA-Missionsseite [6]) überwachte und somit Unregelmäßigkeit des Gravitationsfelds von nur einem Millionstel der Erdschwerkraft detektieren konnte.
Tiefflieger im Orbit
Um eine möglichst hohe Auflösung der Messungen zu erreichen, musste der Satellit so nah wie möglich an die Erde heran. Er umkreiste sie in nur 254,9 km Höhe – dort verbleibt ein Satellit aber keinen Monat, bevor er abstürzt, denn die Atmosphäre endet nicht abrupt in irgendeiner Höhe, sondern wird zu Weltraum hin einfach nur immer dünner, bis sie in ein paar 1000 km Höhe in die Dichte des interplanetaren Raums über geht.
Bis in 40 km Höhe trägt sie noch Ballons. In 100 km Höhe liegt die Kármán-Linie, auf der ein Fluggerät mit Tragflächen sich mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen müsste, um sich durch Auftrieb in der Luft zu halten, die bereits dazu führt, dass die Fliehkraft bei der Umkreisung der Erde bereits reicht, im Orbit zu verbleiben (7,8 km/s). Unterhalb von 160 km stürzt ein Satellit aber immer noch binnen weniger als einem Tag aufgrund der Abbremsung durch den Luftwiderstand ab. Und GOCE wäre trotz aerodynamischer Form und Steuerflossen auch nicht sehr lange im Orbit geblieben, wenn er kein Triebwerk gehabt hätte! Allerdings kein chemisches, das wäre viel zu rabiat für die delikaten Messungen gewesen.
Düsenantrieb unter Strom
GOCE verfügte vielmehr über einen elektrischen Antrieb, auch als Ionentriebwerk bekannt. Ionentriebwerke verbrennen keinen Treibstoff, sie beschleunigen eine Stützmasse. Dabei handelt es sich um elektrisch geladene Teilchen, eben Ionen, die mit elektrischen Feldern beschleunigt werden können. Die positiv geladenen Kerne werden im Ionentriebwerk beschleunigt und nach hinten ausgestoßen. Dazu braucht es nicht mehr als elektrischen Strom, der mittels Solarzellen zeitlich unbegrenzt aus Sonnenlicht erzeugt werden kann. Die Stützmasse muss dazu zunächst ionisiert werden, was bei Xenon leicht gelingt, denn die äußerste Elektronenschale ist weit weg vom Kern, es lässt sich leicht ein Elektron heraus kicken (z.B. durch Kollision mit schnellen Elektronen, s.u.). Zudem ist es ein Edelgas, das die Triebwerksteile nicht korrodiert und es besitzt schwere Atomkerne, die besonders viel Impuls aufnehmen können. Der Impuls (also das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit), mit dem sie ausgestoßen werden, erzeugt eine Kraft, den Schub, der wiederum das Raumfahrzeug vorwärts treibt.
Ein Triebwerk ist umso effizienter, je schneller die (begrenzte) Masse ausgestoßen wird, denn für den Impuls ist es egal, ob man wenig Masse mit viel Geschwindigkeit ausstößt oder entsprechend viel Masse mit wenig Geschwindigkeit. Aber die auszustoßende Masse muss zunächst mit der Rakete beschleunigt werden, und da möchte man natürlich so wenig Masse wie möglich mit sich schleppen, denn die Beschleunigung, die man mit dem Schub erreicht, ist umso größer, je weniger Masse man beschleunigen muss.
Chemische Triebwerke mit Wasserstoff-Sauerstoff oder Kerosin-Sauerstoff erreichen Ausstoßgeschwindigkeiten von 3,0-4,5 km/s. Ionentriebwerke erreichen je nach Bauart 20-200 km/s und brauchen daher nur einen Bruchteil an zu beschleunigender Stützmasse mitzunehmen. Der einzige Haken ist: Ihr Schub ist durch die verfügbare elektrische Leistung begrenzt. Mit ein paar kW kann man nur wenige Milligramm an Stützmasse pro Sekunde ausstoßen und Schübe von lediglich ein paar 10-100 Millinewton erzeugen. In Gewichtskräfte unter Erdschwerkraft übersetzt entspricht dies der Gewichtskraft von einigen bis einigen zehn Gramm. Dafür kann das Triebwerk im Dauerbetrieb verwendet werden, und über hinreichend lange Zeiten erreicht man damit im Weltraum auch brauchbare Geschwindigkeiten. Die Sonde Dawn flog damit den Asteroiden Vesta an, umkreiste ihn eine Weile in verschiedenen Höhen, entfernte sich dann wieder und vollführte ähnliche Manöver beim Asteroiden Ceres. Mit herkömmlichen Triebwerken wäre das undenkbar gewesen.
GOCE befeuerte seine beiden 20 mN-Ionentriebwerke, versorgt durch 1300-W-Solarzellen, über 4 Jahre und 8 Monate lang mit nur 40 kg Xenon und unter einem Regelkreis, der auf die eingangs erwähnten Gradiometer reagierte und sie weitgehend kräftefrei hielt, aber irgendwann war die Stützmasse aufgebraucht, und dann ging es schnell abwärts. Am 11. November 2013 verglühte der Satellit über dem Südatlantik.
Wie gesagt verwendet man meist Xenon aus o.g. Gründen, aber manchen Ionentriebwerken ist die Stützmasse ziemlich gleichgültig, sie funktionieren auch mit anderen Gasen, wenn auch nicht so effizient. Daher liegt der Gedanke nahe, dass man in der Hochatmosphäre doch auch das Gas verwenden kann, welches da oben ohnehin verfügbar ist, ein Gemisch aus 21% Sauerstoff und 78% Stickstoff (das restliche Prozent teilen sich Argon, CO2 und Spurengase) – Luft. Damit ließen sich Umlaufbahnen erschließen, die bisher unerreichbar sind – die Thermosphäre zwischen 100 km und 160 km, genannt Very Low Earth Orbit (VLEO). Darüber hinaus könnte man die Effizienz von Ionenantrieben bis hinauf zu 250 km verbessern. Nach einer Studie der ESA sind gewöhnliche Ionenantriebe oberhalb 250 km konkurrenzlos wirtschaftlicher als luftatmende [2].
Elektronen im Schleudergang
Triebwerke, welche die für die Verbrennung benötigte Luft alleine durch die Geschwindigkeit des Flugkörpers komprimieren, heißen Ramjets (zu deutsch: Staustrahltriebwerk; Ram ist keine Abkürzung, sondern steht für “rammen”, weil sie das mit der Luft tun). Ionentriebwerke, die komprimierte Luft als Stützmasse beschleunigen, firmieren unter RAM-EP (EP für Electric Propulsion, elektrischer Vortrieb). Es gibt verschiedene Formen von Ionenantrieben, die mehr oder weniger als RAM-EPs geeignet sind [3]; wir betrachten hier nur den Hall-Effect Thruster (HET).
Ein RAM-HET besteht aus einem Kollektor, der vorne Luftmoleküle und -atome1 einsammelt. Im mittleren Bereich werden diese aufgestaut und dadurch abgebremst und um einen Faktor von ca. 95-140 komprimiert und aufgeheizt, bevor sie vom folgenden Hall-Effect Thruster angesaugt werden.
Dieser ist im folgenden Bild dargestellt. Neutrale Gasteilchen dringen von links durch die Löcher einer Anode (positiv geladener Pol) in eine hohle Röhre ein, in der ein axiales elektrisches Feld herrscht, d.h. es weist entlang der Längsachse des Triebwerks (violette Pfeile, “E”). Dort kollidieren sie mit Elektronen (rot, “Electron Hall Current”), die sie ionisieren, so dass das elektrische Feld sie entlang der Achse beschleunigt (türkisfarbener Pfeil, “Ions”). Beim Austritt aus dem Triebwerk müssen die Ionen mit Elektronen neutralisiert werden, sonst würde sich das Raumschiff negativ aufladen und die hinter ihm ausgestoßene positive Ladung würde mit ihrer elektrischen Kraft bremsend wirken. Deswegen werden an der Austrittsöffnung von einer Kathode (negativ geladener Pol) Elektronen in die austretenden Ionen injiziert, ein insgesamt neutrales, leuchtendes Plasma entsteht (blaue Pfeile, “Plasma Jet”). Wo kommen die Elektronen her und warum bewegen sie sich nicht einfach auf dem kürzesten Weg zur Anode hin? Dafür sorgt ein kräftiges radiales magnetisches Feld (100-300 Gauß = 10-30 Millitesla) am offenen Ende der Röhre (grüne Pfeile, “B”), das die Elektronen seitlich ablenkt und in Bahnen um den zylinderförmigen Südpol des Magneten in der Mitte der Röhre zwingt. Dieser kreisförmige Strom wird durch den Hall-Effekt2 verursacht, der dem Triebwerk seinen Namen gibt. Die positiven Ionen werden vom Magnetfeld zwar auch abgelenkt, aber weil sie viele tausendmal schwerer als die Elektronen sind, ist ihre Ablenkung nur minimal und sie passieren das Magnetfeld verhältnismäßig unbeeindruckt. Die in der Austrittsöffnung festgehaltenen Elektronen ziehen die positiven Ionen an bilden den Gegenpol des elektrischen Felds in der Röhre, sie wirken als virtuelle Kathode und verlagern den Ort der äußeren, echten Kathode in die Austrittsöffnung des Ionentriebwerks. Ein kleiner Teil der Elektronen kann durch Stöße an anderen Teilchen oder der Röhrenwand trotz der Magnetsperre in die Röhre eindringen und kollidiert dort mit den eindringenden neutralen Atomen des Stützmassengases, wodurch diese ionisiert werden. Losgeschlagene Elektronen, die zur Anode gezogen werden, schließen den Stromkreis und werden wieder zur Kathode gepumpt.
Grau ist alle Theorie…
Dass HETs mit Luft betrieben werden können, war schon lange bekannt und auch erprobt worden. Allerdings war noch nie in der Praxis demonstriert worden, ob das Aufsammeln und die Verdichtung von Luft, wie sie in 200 km Höhe anzutreffen ist, mit einem Kollektor funktionieren würde und ob man ein Triebwerk wirklich damit betreiben kann. Dies holte die ESA 2016/2017 nach [1] und berichtete darüber im März 2018 [4, 5].
Der zu testende Kollektor wurde von der Firma QuinteScience in Polen am Computer entworfen und optimiert (z.B. die Größe der einzelnen Zellen und das Verhältnis Durchmesser zu Länge mussten für die mit steigender aufgefangener Gasmenge abnehmende Kompressionsrate optimiert werden). Das gefertigte Modell hat einen Durchmesser von 40 cm und eine Auffangfläche von 0,126 m². Es handelte sich um ein maßstabsgetreues Modell eines für den Orbit geeigneten größeren Kollektors, der mindestens 1 m² Auffangfläche haben müsste. Das durchzuführende Laborexperiment bedurfte einer kleineren Ausführung.
Statt den Kollektor für sich alleine zu testen, koppelte man ihn gleich mit einem zweistufigen HET des italienischen Herstellers Sitael und baute das Ganze in einer Vakuumkammer von Sitael nahe Pisa auf. Darin wurden die Atmosphärenverhältnisse in 200 km Höhe nachgestellt. Dazu gehörte auch die Simulation eines mit Orbitalgeschwindigkeit bewegten Stroms von Stickstoff- und Sauerstoffmolekülen; dieser wurde mit einem weiteren HET in die Vakuumkammer eingeblasen (Partikel-Fluss Generator, PFG); wegen dessen begrenzter Ausdehnung von 45 cm Durchmesser durfte der getestete Kollektor nicht größer sein. Der erste Test im Juli 2016 diente nur zur Feinabstimmung des PFG für die Atmosphärensimulation.
Im April 2017 wurden dann zunächst Tests des RAM-HET mit eingespritzter Stützmasse (also ohne Kollektor) durchgeführt. Dies betraf die Zündung, Betrieb mit Xenon und Übergang zu Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch. Das Xenon-Gas erzeugt ein blau leuchtendes Plasma. Wenn man auf Luft wechselt, dann ändert das Plasma sein Licht zu rosafarben.
Während der eigentlichen Messkampagne wurde der RAM-HET zuerst mit 8 mg/s Xenon und schließlich gleich mit dem vom PFG einströmenden Luftgemisch (4,7 mg/s 1,27·N2+O2) gezündet. In diesem Betrieb lieferte der RAM-HET einen Schub von 6±1 mN. Allerdings verursachte die Kollektorfläche einen Luftwiderstand von 26±1 mN, d.h. der Schub reichte nicht, den Luftwiderstand zu kompensieren. Potenziell wäre der verwendete HET in der Lage, 35-130 mN an Schub mit Luftgemisch von 3-10 mg/s und 2-8 kW an zugeführter elektrischer Leistung zu erzeugen (zum Vergleich: mit Xenon 100-400 mN bei 6-20 mg/s).
Die Ergebnisse bestätigten jedoch die Funktion des Kollektors; sowohl dessen Luftwiderstand als auch die erzielte Kompression stimmten sehr gut mit den vorab durchgeführten Computersimulationen überein. Das wichtigste Ergebnis war jedoch, dass das Zünden des Triebwerks mit dem Luftstrom funktionierte. Die Ionisation des Gases ist das schwierigste zu lösende Problem eines luftatmenden elektrischen Triebwerks. Die Beschleunigung der Ionen blieb jedoch unter den Erwartungen, und dieser Teil des Triebwerks bedarf noch weiterer Optimierungen. Die Ingenieure kommen in [1] zu dem Schluss, dass mit einer entsprechend verbesserten Beschleunigungsstufe und dem von einem 1-m²-Kollektor generierten Stützmassenzufluss ein positiver Netto-Schub erreichbar scheint.
Vielleicht düsen in zehn bis zwanzig Jahren also Satelliten in der halben Höhe der ISS um die Erde – oder auch den Mars – und liefern noch hochaufgelöstere Bilder und Messungen als dies technisch heute möglich ist. Und entsorgen sich am Missionsende selbstständig und ohne verbleibenden Weltraummüll durch zügiges Verglühen in der Erdatmosphäre.
Referenzen und weiterführende Literatur
[1] Tommaso Andreussi, Gianluca Cifali et al., “Development and Experimental Validation of a Hall Effect Thruster RAM-EP Concept“, Proceedings 35th International Electric Propulsion Conference, Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia, USA, 8. – 12. Oktober 2017.
[2] J. Ashkenazy, G. Appelbaum et al., “VENμS Technological Payload – The Israeli Hall Effect Thruster Electric Propulsion System“, DOI: 10.13140/2.1.4172.4801, 47th Israel Annual Conference on Aerospace Sciences, at Tel-Aviv & Haifa, Israel, Februar 2007.
[3] Tony Schönherr, “Air Breathing Electric Propulsion“, Lecture, Chapter 6, Department of Aeronautics and Astronautics, The University of Tokyo, 16. November 2015.
[4] “World-First Firing of Air Breathing Electric Thruster“, European Space Agency, Our Activities, Space Engineering & Technology, 5. März 2018.
[5] Matt Williams, “Air-Breathing Electric Thruster Could Keep Satellites in Low Earth Orbit for Years“, Universe Today, 9. März 2018.
[6] “GOCE“, European Space Agency, Our Activities, Observing the Earth.
[7] “What is a Hall Thruster?“, Princeton Plasma Physics Laboratory.
[8] “Hall-effect thruster“, en.wikipedia.org.
1 Mit steigender Höhe finden sich zunehmend von UV-Licht losgeschlagene Sauerstoff- und Stickstoffatome; oberhalb von 120 km übertrifft atomarer Sauerstoff den molekularen in der Teilchendichte, bei 160 km sogar den molekularen Stickstoff [3].
2 Der Hall-Effekt, entdeckt von und benannt nach Edwin Hall (und deshalb wird “Hall” hier englisch ausgesprochen), besagt dass Elektronen, die durch eine Platte fließen, durch deren Ebene senkrecht ein Magnetfeld verläuft, aufgrund der Lorentzkraft seitlich in der Plattenebene abgelenkt werden, was zu einem elektrischen Feld zwischen derjenigen Kante der Platte, in deren Richtung die Elektronen gedrängt werden, und der Kante gegenüber führt. Verbindet man die Kanten über einen Draht, fließt ein Strom, der Hall-Strom. Mit diesem kann beispielsweise die Magnetfeldstärke gemessen werden.
Kommentare (39)