Ionentriebwerke: Der Ritt auf geladenen Teilchen

Zum Verständnis der speziellen Arbeitsweise von Ionentriebwerken betrachten wir zunächst das Grundprinzip von Raketenantrieben. Alle Raketentriebwerke arbeiten nach dem Rückstoßprinzip, bei dem ein durch eine Düse gerichteter Antriebsstrahl die Rakete oder den Raumflugkörper vorwärts treibt. Der Antriebsstrahl wird meist durch die Verbrennung von flüssigem (Kerosin, Wasserstoff oder Dimethylhydrazin) oder festem Treibstoff mittels eines Oxidators erzeugt. Die bei der Verbrennung gewonnene thermische Energie wird dann in der Düse in kinetische Energie umgesetzt. Der auch als Schub bezeichnete Vortrieb ist dabei von der Masse der im Antriebsstrahl austretenden Teilchen und deren Austrittsgeschwindigkeit, die in der Physik als spezifischer Impuls bezeichnet wird, abhängig.

Wie funktionieren elektrische Triebwerke?

Bei elektrischen Antrieben erfolgt die Beschleunigung der Masseteilchen durch elektrische Energie. Diese wird meist über Solarzellen aus Sonnenenergie gewonnen. Es sind aber auch Kernenergieanlagen für Flüge in die äußeren Bereiche unseres Sonnensystems denkbar. Mit elektrischen Triebwerken lassen sich zwar hohe Ausströmgeschwindigkeiten (bis zu zehn Mal höher als bei chemischen Antrieben) erreichen, aber aufgrund des hohen Energiebedarfs für die Beschleunigung der Masseteilchen bleibt der Schub gering. Gleichzeitig ist die austretende Gesamtmasse des beschleunigten Arbeitsmediums gegenüber dem bei chemischen Antrieben klein. Elektrische Triebwerke können ihren Vorteil deshalb nur in dem im Weltraum herrschenden Vakuum ausspielen. Durch die beschriebene Arbeitsweise ist ihr Wirkungsgrad bis zu zehn mal höher, was die Gewichtsbilanz eines Raumflugkörpers mit elektrischen Antrieben entscheidend verbessert. Dazu trägt auch bei, dass kein Oxidator mitgeführt werden muss. Der Nachteil des geringen Schubs wird dadurch ausgeglichen, dass elektrische Antriebe ununterbrochen über viele Monate arbeiten können. So erfolgt eine kleine, aber permanente Beschleunigung des Raumflugkörpers. Dieser Arbeitsmodus führte dazu, dass derartige Antriebe bisher fast ausschließlich als Lagekorrekturtriebwerke eingesetzt werden. Erst seit 1998 erfolgt ihre Erprobung auch bei der Bahnänderung interplanetarer Raumsonden.

Elektrische Antriebe unterteilen sich in elektrothermische und elektrostatische Triebwerke. In elektrothermischen Antrieben wird der Treibstoff (meist Ammoniak oder Wasserstoff) in die Brennkammer gepumpt und durch Energiezufuhr erhitzt. Das kann mittels eines elektrischen Widerstandselementes – man bezeichnet den Antrieb dann als Resistojet – oder eines Lichtbogens, auch Arcjet genannt, geschehen. Anschließend wird in der Düse die thermische in kinetische Energie umgewandelt.

Elektrostatische Antriebe werden aufgrund ihrer Arbeitsweise auch als Ionen- oder Plasmatriebwerke bezeichnet. Ein Arbeitsmedium wird durch Energiezufuhr ionisiert, d.h. die Elektronen verlassen die Atome des Mediums. Es entsteht ein elektrisch positiv geladenes Plasma, das durch elektrische oder elektromagnetische Felder beschleunigt wird und so die Bewegungsenergie liefert. Nach dem Austritt aus dem Triebwerk werden in einem Neutralisator dem Plasma wieder Elektronen zugesetzt, um eine Aufladung des Raumflugkörpers zu verhindern. Als Arbeitsmedium können beispielsweise Cäsium, Quecksilber oder Xenon dienen. Xenon wird in allen modernen Antrieben verwendet, da es als Edelgas umweltfreundlich und leicht zu handhaben ist.
In den letzten Jahren hat sich das Prinzip des Ionenantriebes mit Xenon als Arbeitsmedium als zukunftsträchtig erwiesen. Weiterentwicklungen zielen weltweit darauf ab, den Schub wesentlich zu erhöhen, um damit den elektrischen Antrieben weitere Anwendungen im Weltraum zu erschließen.

Ionentriebwerke für die Unendlichkeit des Alls

Es ist wie im täglichem Leben: Je länger eine Reise dauert, desto mehr Gepäck will man mitnehmen. Und je tiefer man in den interplanetaren Raum vordringen will, desto wichtiger wird das Verhältnis zwischen Treibstoff und Nutzlast.
Da die ionengetriebenen Raumsonden weniger Treibstoff benötigen, steht an Bord mehr Platz für wissenschaftliche Instrumente zur Verfügung. „Solar-elektrische Antriebstechnik ebnet daher den Weg für die Erkundung der inneren Bereiche unseres Sonnensystems, weil man dort die unerschöpflichen Energien der Sonne anzapfen kann“, betont Giuseppe Racca, der ESA-Projektleiter von SMART 1.
In den äußeren sonnenfernen Regionen unseres Systems müssen hingegen andere Stromquellen genutzt werden, beispielsweise bordeigene Kernreaktoren. Folgt man den Vorstellungen des ESA-Wissenschaftlers, dann wären elektrische Antriebe dieser Art der nächste logische Schritt in der Technologie-Entwicklung: „Solar- und nukleargespeiste elektrische Antriebe könnten uns bis zum Kuiper-Gürtel und noch weiter hinaus bringen“.

Der Kuiper-Kometen-Gürtel, der sich jenseits der Pluto-Bahn erstreckt, ist für viele Wissenschaftler das Traumziel einer Mission. Es gibt dort unbeeinflusste Materie aus der Entstehungszeit unseres Sonnensystems. Und jenseits dieser Kometen öffnet sich der noch weitgehend unbekannte interstellare Raum, ein lockendes Forschungsziel.

Ionentriebwerke an Bord von Satelliten (ohne Satellitenplattformen)

 

Jahr	Raumflugkörper	Arbeitsmedium	Organisation
1965	SNAPSHOT	Cäsium	USAF (USA)
1968-69	ATS 4, ATS 5	Cäsium	NASA (USA)
1970	SERT II	Quecksilber	NASA (USA)
1971	Meteor 10	Quecksilber	FAKEL (Sowjetunion)
1974	ATS 6	Cäsium	NASA (USA)
1982	ETS 3	Quecksilber	NASDA (Japan)
1992	EURECA	Xenon	ESA (Europa)
1998	Deep Space 1	Xenon	NASA
2001	ARTEMIS	Xenon	ESA (Europa)