Dennis L.
Ein kompakter Neuer Antrieb könnte kleinen Satelliten im Weltraum deutlich mehr Beweglichkeit geben. Forscher des Massachusetts Institute of Technology haben gezeigt, dass der Treibstoff ASCENT nicht nur chemische Triebwerke, sondern auch winzige Elektrospray-Triebwerke antreiben kann. Damit rückt ein System näher, das schnelle Manöver und sehr sparsame Kurskorrekturen mit einem gemeinsamen Treibstoff verbindet. Die NASA will das Prinzip mit der Mission Green Propulsion Dual Mode an einem CubeSat im All testen.
Kleine Satelliten haben die Raumfahrt stark verändert, weil sie günstiger gebaut, schneller gestartet und in größeren Gruppen eingesetzt werden können als klassische Raumsonden. Ihr größter Nachteil liegt jedoch in der begrenzten Masse und im knappen Bauraum. Ein CubeSat kann nicht einfach zwei große Treibstoffsysteme mit Tanks, Leitungen, Ventilen und getrennten Triebwerken aufnehmen, ohne wissenschaftliche Instrumente oder Stromversorgung zu verdrängen. Genau dort setzt der neue Ansatz an: Ein einziger Treibstoff soll sowohl für kurze, kräftige Schubstöße als auch für langsame, präzise Kursänderungen genutzt werden. Die aktuelle Arbeit des Massachusetts Institute of Technology beschreibt deshalb keinen futuristischen Großantrieb für bemannte Marsflüge, sondern eine technisch sehr konkrete Lösung für kleinere Raumfahrzeuge, deren Nutzen unmittelbar aus Platzersparnis, Steuerbarkeit und Treibstoffeffizienz entsteht.
Für die Raumfahrt ist diese Kombination interessant, weil chemische Triebwerke und elektrische Triebwerke normalerweise sehr unterschiedliche Stärken haben. Chemische Triebwerke erzeugen vergleichsweise hohen Schub und eignen sich für schnelle Manöver, benötigen aber mehr Treibstoff. Elektrische Triebwerke beschleunigen geladene Teilchen wesentlich sparsamer, liefern jedoch nur geringen Schub und arbeiten eher über lange Zeiträume. Elektrospray-Triebwerke gehen noch weiter in Richtung Miniaturisierung: Sie nutzen elektrische Felder, um Ionen oder geladene Flüssigkeitsteilchen aus einem kleinen Reservoir zu lösen und als feinen Strahl auszustoßen. Bei kleinen Satelliten kann eine solche Technik präzise Lageänderungen, langsame Bahnkorrekturen und lange wissenschaftliche Missionen ermöglichen. Der aktuelle Befund ist deshalb nicht nur ein neuer Labortest, sondern ein Schritt zu flexibleren Missionen mit CubeSats, die bisher oft durch ihre geringe Antriebsleistung eingeschränkt waren.
Im Mittelpunkt steht ASCENT, ein ionischer Flüssigtreibstoff, der ursprünglich als weniger toxische Alternative zu Hydrazin für chemische Triebwerke entwickelt wurde. Hydrazin ist in der Raumfahrt lange etabliert, aber extrem gefährlich im Umgang und erfordert aufwendige Sicherheitsmaßnahmen am Boden. ASCENT ist dagegen ein sogenannter grüner Monotreibstoff und kann in chemischen Systemen zersetzt werden, um heißen Gasstrom und damit Schub zu erzeugen. Die MIT-Forscher nutzten nun eine Eigenschaft, die für Elektrospray-Triebwerke entscheidend ist: ASCENT ist zugleich eine ionische Flüssigkeit. Solche Flüssigkeiten bestehen aus geladenen Teilchen und können bei geeigneter Spannung direkt als Ionenstrahl genutzt werden. Laut der in Journal of Propulsion and Power veröffentlichten Studie erreichten ASCENT-betriebene Elektrospray-Triebwerke eine Leistung, die mit konventionellen ionischen Flüssigkeiten vergleichbar ist.
Der praktische Vorteil entsteht durch die gemeinsame Versorgung. Ein gemeinsamer Treibstoff bedeutet, dass ein kleiner Satellit nicht zwei getrennte Tanks und zwei vollständig unabhängige Treibstoffketten tragen muss. Dadurch bleibt mehr Masse und Volumen für Sensoren, Kameras, Funktechnik oder wissenschaftliche Nutzlasten übrig. Gleichzeitig könnten chemische Triebwerke schnelle Positionswechsel ermöglichen, während Elektrospray-Triebwerke über viele Stunden oder Tage sehr sparsame Korrekturen durchführen. In den MIT-Experimenten wurde ein kleiner Satellitenaufbau auf einem magnetisch schwebenden Prüfstand in einer Vakuumkammer getestet. Die Forscher füllten je 1 Gramm ASCENT in kleine Reservoirs und aktivierten die Triebwerke mit unterschiedlichen Spannungen. Der Aufbau drehte sich daraufhin messbar, wodurch Schub und Effizienz bestimmt werden konnten. Die Tests liefen über Zeiträume von bis zu 100 Stunden und zeigten, dass ASCENT die winzigen Triebwerke zuverlässig antreiben kann.
Für CubeSats ist die Technik besonders relevant, weil diese Kleinsatelliten bisher häufig passiv auf ihrer Bahn bleiben oder nur begrenzt manövrieren können. Mit einem kombinierten Antriebssystem könnten sie nach dem Aussetzen schneller eine Zielbahn erreichen, Formationen verändern oder bei Erdbeobachtungen kurzfristig auf ein interessantes Gebiet ausgerichtet werden. Die NASA beschreibt in ihrem aktuellen Überblick zu Small Spacecraft Propulsion die starke technische Vielfalt kleiner Antriebssysteme und die schwierige Bewertung ihrer Einsatzreife. Vor diesem Hintergrund ist ein System wertvoll, das auf einem einzelnen Treibstoff basiert und trotzdem zwei sehr unterschiedliche Schubprofile abdecken kann. Besonders interessant ist der Ansatz für Missionen jenseits der Erdumlaufbahn, etwa zu Asteroiden oder für präzise Messungen im inneren Sonnensystem.
Der nächste wichtige Schritt ist die Mission Green Propulsion Dual Mode. Dabei soll ein CubeSat mit chemischen und elektrischen Triebwerken starten, die aus einem gemeinsamen ASCENT-Tank versorgt werden. Wenn die Demonstration gelingt, wäre es das erste Mal, dass ein Satellit ein solches geteiltes Treibstoffsystem im All nutzt. Für das Weltraum-Umfeld wäre das kein spektakulärer Sprung auf interstellare Geschwindigkeiten, aber ein realistischer Fortschritt bei der Nutzbarkeit kleiner Raumfahrzeuge. Gerade Wetterbeobachtung, Klimamessungen, Asteroidenmissionen und verteilte Satellitennetze profitieren von der Möglichkeit, je nach Aufgabe schnell oder besonders sparsam zu manövrieren. Der Neue Antrieb verbindet damit zwei bisher getrennte Fähigkeiten in einer Architektur, die zur begrenzten Größe kleiner Satelliten passt.
Der neue Ansatz löst nicht alle Probleme schneller Weltraumreisen. Elektrospray-Triebwerke erzeugen nur sehr geringen Schub, und auch die Kombination mit chemischen Triebwerken macht aus einem CubeSat keine Hochgeschwindigkeitssonde für bemannte Missionen. Entscheidend ist vielmehr die Skalierung auf kleine Raumfahrzeuge, deren wissenschaftlicher Nutzen oft nicht durch fehlende Sensoren, sondern durch begrenzte Beweglichkeit eingeschränkt wird. Ein kompakter Doppelantrieb könnte kleinen Satelliten erlauben, Missionsziele flexibler anzufliegen, Daten gezielter zu sammeln und länger kontrolliert zu arbeiten. Damit unterscheidet sich der Befund klar von theoretischen Konzepten wie Pellet-Beams oder nuklearen Plasmaraketen, die auf deutlich größere Geschwindigkeiten zielen, aber noch viel weiter von einem einsatzfähigen System entfernt sind. Hier geht es um eine Technologie, die bereits im Labor getestet wurde und nun in eine konkrete Flugdemonstration überführt werden soll.
Wissenschaftlich bleibt offen, wie stabil ein gemeinsames System im realen Orbit arbeitet, wie sich ASCENT unter langen Betriebszeiten verhält und wie zuverlässig Ventile, Tanks, Leitungen und Triebwerke in einem sehr kleinen Satelliten zusammenwirken. Auch die elektrische Versorgung ist wichtig, weil Elektrospray-Triebwerke eine passende Spannung benötigen und CubeSats nur begrenzte Solarflächen besitzen. Trotzdem ist der aktuelle Befund ein klarer Fortschritt, weil er die grundlegende Kompatibilität eines energiereichen Monotreibstoffs mit Elektrospray-Triebwerken experimentell zeigt. Für die Satelliten-Technik bedeutet das eine neue Option zwischen sparsamer Mikroschubsteuerung und kräftigeren Manövern. Sollte die NASA-Demonstration erfolgreich sein, könnten künftige kleine Raumfahrzeuge deutlich aktiver eingesetzt werden als bisherige CubeSats, ohne ihre wichtigste Stärke zu verlieren: kompakte Bauweise bei vergleichsweise niedrigen Missionskosten.
Journal of Propulsion and Power, Performance Characterization of Electrospray Thrusters with Energetic Ionic Liquid Monopropellant; doi:10.2514/1.B40175