Ein neuseeländisches Raumfahrtunternehmen hat im Orbit einen Satellitenantrieb erprobt, der ganz ohne Treibstoff auskommt. Statt Gas auszustoßen, erzeugt das schuhkartongroße Gerät Kraft aus dem Zusammenspiel starker Magnetfelder mit dem Erdmagnetfeld. Angetrieben wird es allein durch Solarenergie an Bord des Satelliten. Der erste erfolgreiche Betrieb im All markiert einen Meilenstein für eine Technik, die Raumfahrzeuge künftig deutlich länger nutzbar machen könnte.
Damit ein Satellit seine Aufgaben erfüllen kann, muss er im Orbit exakt ausgerichtet bleiben. Eine Kamera soll auf einen bestimmten Punkt der Erde zeigen, eine Antenne auf eine Bodenstation und ein Sonnensegel möglichst genau zur Sonne. Für diese ständige Feinjustierung sorgt die sogenannte Lageregelung, die winzige Drehbewegungen ausgleicht und das Raumfahrzeug stabil hält. Bisher übernehmen diese Aufgabe vor allem Reaktionsräder und kleine Steuerdüsen, die Gas ausstoßen. Beide Verfahren haben klare Grenzen. Reaktionsräder können sich mit der Zeit sättigen, und Steuerdüsen verbrauchen mitgeführten Treibstoff, der irgendwann aufgebraucht ist. Genau dann endet häufig die nutzbare Lebensdauer eines ansonsten voll funktionsfähigen Satelliten. Ein Antrieb, der ganz ohne Treibstoff auskommt, würde dieses grundlegende Problem der Raumfahrt entschärfen und wäre für viele Missionen ein enormer Vorteil.
Der Schlüssel zu dem neuen Ansatz liegt in extrem starken Magnetfeldern. Erzeugt werden sie von supraleitenden Spulen, die elektrischen Strom ohne Widerstand transportieren und deshalb sehr hohe Ströme führen können. Solche Materialien verlieren ihren Widerstand allerdings erst unterhalb einer bestimmten Sprungtemperatur, weshalb die zugrunde liegende Supraleitung technisch anspruchsvoll bleibt. Moderne Hochtemperatur-Supraleiter funktionieren bereits bei vergleichsweise milden Tiefsttemperaturen und eröffnen dadurch Anwendungen, die früher undenkbar waren. Kombiniert man ein solches Magnetsystem mit dem natürlichen Erdmagnetfeld, entsteht eine Kraft, die den Satelliten dreht oder stabilisiert. Das Prinzip ähnelt einer Kompassnadel, die sich im Magnetfeld der Erde ausrichtet, nur dass sich Stärke und Richtung des künstlichen Feldes gezielt steuern lassen. Auf diese Weise wird aus einem physikalischen Effekt ein regelbares Werkzeug für die Steuerung im All.
Den ersten erfolgreichen Betrieb im Orbit meldet das neuseeländische Unternehmen Zenno Astronautics, eine Ausgründung der University of Auckland. Sein System mit dem Namen Z01 Supertorquer nutzt supraleitende Magnete, um ein Raumfahrzeug allein durch Magnetkraft auszurichten. Getestet wurde die schuhkartongroße Einheit an Bord des Satelliten Mira des kalifornischen Unternehmens Impulse Space, der im November mit einer SpaceX-Mission ins All gebracht wurde. Weitere technische Angaben und Einordnungen liefert die offizielle Projektdarstellung des Herstellers, die den Aufbau des Systems im Detail beschreibt. Im Test drehte das Gerät den Satelliten auf Kommando in die gewünschte Richtung und übernahm damit klassische Aufgaben der Lageregelung. Die nötige Energie liefert Solarenergie aus den Bordpaneelen, weshalb der Betrieb ganz ohne Treibstoff möglich ist. Damit ersetzt der Antrieb sowohl schwere Magnetstäbe als auch einen Teil der bislang üblichen Reaktionsräder.
Die eigentliche Herausforderung liegt nicht im Weltraum selbst, sondern in der Temperatur. Supraleitende Spulen verlieren ihren elektrischen Widerstand erst, wenn sie stark heruntergekühlt werden. Das Zenno-System arbeitet bei rund 77 Kelvin, was etwa minus 196 Grad Celsius und dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff entspricht. Im All klingt das zunächst einfach, doch ein Satellit wird von der Sonne auf etwa 20 Grad Celsius aufgeheizt, sodass die Kälte nicht von selbst entsteht. Auf mitgeführte kryogene Flüssigkeiten wollten die Ingenieure verzichten, weil diese schwer, sperrig und endlich sind. Stattdessen umhüllten sie das Magnetsystem mit mehreren Isolationsschichten und koppelten es an eine Wärmepumpe, die überschüssige Wärme gezielt abführt. Dass sich supraleitende Magnete inzwischen sogar für den Verkehr auf der Erde erproben lassen, zeigen Konzepte für eine Autobahn auf Basis von Supraleitern, die ähnliche Materialien verwenden. So bleiben die Spulen dauerhaft betriebsbereit, ohne dass ständig Kühlmittel nachgefüllt werden muss.
Für die Raumfahrt könnte die Technik gleich mehrere Vorteile bringen. Weil kein Treibstoff mehr für die Lageregelung nötig ist, ließe sich die Lebensdauer vieler Satelliten verlängern, die heute ausgemustert werden, sobald ihr Vorrat erschöpft ist. Das Unternehmen sieht zudem größere Systeme vor, die Raumfahrzeuge im Orbit präzise manövrieren oder aneinander andocken lassen. Besonders spannend ist die Idee, mit starken Magnetfeldern eine Art Schutzschirm gegen kosmische Strahlung aufzuspannen, der Besatzungen auf langen Missionen abschirmen könnte. Auch elektromagnetische Startsysteme gehören zu den Fernzielen, an denen weltweit gearbeitet wird, etwa bei einem elektrischen Raketenstartsystem für große Höhen, das ebenfalls auf magnetische Beschleunigung setzt. Noch handelt es sich beim getesteten Modell um einen kleinen Anfang, doch ein größerer Demonstrator soll bereits in diesem Jahr folgen und die Möglichkeiten der Technik weiter ausloten.