Technologie

Treibstoff aus der Hochatmosphäre

17.11.2021 - Satelliten im sehr niedrigen Erdorbit sollen künftig Luft als Treibstoff in Elektroantrieben verwenden.

Hochfliegende Weltraumpläne und diverse privat­wirtschaftlich finanzierte Projekte sind derzeit in aller Munde. Im Fokus der Öffentlichkeit stehen hier vor allem ambitionierte Vorhaben wie der Ausbau der Satelliten­flotte des Netzwerks Starlink durch den Weltraumkonzern SpaceX von Elon Musk oder die privatwirtschaftliche Raumstation „Orbital Reef“ als ISS-Alternative, deren Realisierung unter anderem durch Blue Origin, dem Raumfahrt­konzern von Jeff Bezos, vorangetrieben wird. Sie alle zielen auf Höhen von 500 bis 600 Kilometer im Low Earth Orbit (LEO). Nicht weniger relevant und von ebenso hohem wissenschaftlichen und auch wirtschaftlichen Interesse sind jedoch sehr niedrige Höhen im Bereich zwischen 160 und 250 Kilometer (Very Low Earth Orbit – VLEO). Diese stehen im Zentrum des inter­nationalen Horizont 2020-Projekts Air-breathing Electric Thruster – AETHER.

 

Der begrenzende Faktor für die Dauer von Weltraum­missionen hängt häufig mit der Gesamtmasse des an Bord verfügbaren Treibstoffs zusammen. Wenn ein neuer Antrieb in der Lage wäre, die oberen Schichten der Atmosphäre als Treibstoff zu nutzen, würde dies ein breites Spektrum an neuen Szenarien für Planeten­missionen ermöglichen. Sehr niedrige Erdumlauf­bahnen zwischen 160 und 250 Kilometer sind für die Erdbeobachtung und für Telekommunikations­anwendungen ohne Zeitverzögerung äußerst interessant, stellen jedoch große Heraus­forderungen für Raumfahrzeuge dar, da der Luft­widerstand in diesen Höhen so groß ist, dass er ständig durch positiven Schub ausgeglichen werden muss. Dies bedeutet, dass das Raumfahrzeug ständig sein Antriebs­system einschalten muss, was wiederum eine Menge Treibstoff an Bord erfordert. Sobald der Treibstoff aufgebraucht ist, wird die Umlaufbahn binnen weniger Tage verlassen.

AETHER will die Atmosphäre nutzen, indem es die Moleküle auffängt und beschleunigt, um dem Luftwiderstand entgegenzuwirken, so dass eine VLEO-Mission ohne Tank an Bord Monate, wenn nicht Jahre dauern kann. Im Rahmen des EU-finanzierten AETHER-Projekts wird das Design der eingesetzten elektrischen Triebwerke bis zu einem für den Flug repräsentativen Stadium weiterentwickelt, wobei eine ausreichende und zuverlässige Netto-Schubleistung für die angestrebten Ziel­anwendungen experimentell demonstriert werden kann. Dies wird durch die Optimierung der verschiedenen Komponenten des Triebwerks, die sorgfältige Auswahl von Materialien und geeignete Diagnose­werkzeuge auf der Grundlage von Design­überlegungen auf Systemebene erreicht.

AETHER wird von einem internationalen Projektkonsortium aus sechs Ländern betrieben: Sitael (Italien), von Karman Institute for Fluid Dynamics (Belgien), University of Surrey (Großbritannien), RHP-Technology (Österreich), Dedalos (Griechenland), Astos Solutions (Deutschland) und TransMIT (Deutschland). Bei den sieben Mitgliedern des Konsortiums handelt es sich um eine ausgewogene Mischung von Einrichtungen (eine Forschungseinrichtung, ein Groß­unternehmen, vier KMU und eine gemeinnützige Organisation), die so konzipiert wurde, dass das für die erfolgreiche Verwirklichung aller Projektziele erforderliche Wissen und Fachwissen maximiert wird. Der TransMIT-Projektbereich für Ionenquellen in der Materialbearbeitung (IQM) unter der Leitung von Maria Smirnova und Aloha Mingo widmen sich in dem Teilprojekt insbesondere der Entwicklung und Herstellung der Charge Separation Acceleration Stage für den Demonstrator.

Maßgebliches Ziel von AETHER ist es, die Ram-EP-Technologie für eine künftige In-Orbit-Demonstrationsmission vorzubereiten und Europa an die Spitze des noch weitgehend unerschlossenen Bereichs des luftatmenden Elektroantriebs zu bringen. Der erfolgreiche Abschluss des AETHER-Projekts wird das europäische Portfolio an elektrischen Antrieben mit dem weltweit ersten luftatmenden EP-Triebwerk erweitern und potenziell einen Paradigmen­wechsel bei VLEO-, LEO- und Planetenmissionen bewirken. Das Anwendungs­spektrum reicht dabei von der wissenschaftlichen Grundlagen­forschung über den Telekommunikations­bereich oder Einsätzen für das globale Navigations­satellitensystem (GNSS) bis hin zur allgemeinen Erdbeobachtung wie beispielsweise der vor dem Hintergrund des Klimawandels zunehmend an Bedeutung gewinnenden Katastrophen­überwachung und -vorsorge.

Zu den Perspektiven innovativer elektrischer Antriebssysteme im europäischen Raumfahrtsektor und der Arbeit sowie branchen­bezogenen Karriere­möglichkeiten in internationalen Projekten organisiert das EU-geförderte Projekt GIESEPP MP in Zusammen­arbeit mit AETHER und Switch to Space aktuell ein Webinar mit Vertretern der führenden Raumfahrt­organisationen der Welt und Europas. Das Webinar ist kostenfrei und richtet sich insbesondere an Studenten und junge Fachkräfte. Es sind keine Vorkenntnisse oder Erfahrungen auf dem Gebiet der elektrischen Antriebstechnik erforderlich. Das Webinar „Electric Space Propulsion & new career opportunities in the space sector in Europe“ findet heute, am 17. November 2021, von 15 bis 17 Uhr statt.

Transmit / DE

 

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