Neue Antriebe für Raumschiffe

Um allein die Planeten in unserem Sonnensystem zu erreichen, brauchten Raumschiffe in der Vergangenheit viele Jahre und selbst für eine Reise zum Mars muss man mindestens ein bis zwei Jahre einplanen. Neue Antriebe für Raumschiffe können diesen Zeitaufwand erheblich verringern.

Bisher schoss man Raketen in die Luft, indem man grosse Mengen an Treibstoff verbrannte, das wird sich in Zukunft ändern, da man nicht mehr auf einen einzigen Antrieb sondern auf eine Kombination setzt, je nach den Aufgaben, die es zu erfüllen gilt. So werden zukünftige Raumschiffe vielleicht zunächst wie Flugzeuge starten und erst in grosser Höhe Raketen oder SCRAM-Jets einsetzen, um Fluchtgeschwindigkeit zu erreichen.

SCRAM-Jets sind zwar nur innerhalb der Atmosphäre einsetzbar, erlauben allerdings Geschwindigkeiten bis zu 25-facher Schallgeschwindigkeit. Der Trick dabei ist, die Turbine aus dem Triebwerk abzuschotten, wenn eine gewisse Höhe und Geschwindigkeit erreicht ist und die Luft direkt mit Wasserstoff zu verbrennen. Dazu ist allerdings eine besondere Form des Flugzeugs erforderlich, da die Luft bei diesem Triebwerk bei Überschallgeschwindigkeit mit dem Wassserstoff verbrannt wird. Bisher mussten Düsenflugzeuge die Luft erst auf Unterschallgeschwindigkeit abbremsen. Der SCRAM.-Jet arbeitet aber nur, solange sich das Flugzeug noch in der Atmosphäre befindet.

Aber auch für das Vakuum des Weltraums gibt es neue Techniken und Ideen, die sich vom althergebrachten Konzept in kurzer Zeit möglichst viel Treibstoff zu verbrennen unterscheiden. Sie spielen ihre Vorteile insbesondere da aus, wo es nicht auf starke Beschleunigung, sondern lang anhaltenden Schub ankommt. Denn meistens kommt es nicht so sehr darauf an, dass ein Raumschiff schnell eine hohe Geschwindigkeit erreicht, statt dessen kann eine lange arbeitende Antriebsmethode viel höhere Endgeschwindigkeiten erreichen.

Diese Aufgabe erfüllen zum Beispiel Ionenantriebe, bei denen Ionisierte - d.h. elektrisch geladene - Xenonatome in einem elektrischen Feld beschleunigt werden, das von zwei Elektroden, die unter hoher Spannung stehen, erzeugt wird - genauso wie die Elektronen in einem Fernseher. Die relativ schweren Atome werden mit einer Geschwindigkeit von etwa 30km/Sekude nach hinten ausgestossen und treiben das Raumschiff so aufgrund der Impulserhaltung voran - Impulserhaltung heisst, dass das die Summe der Produkte aus Massen von Ausgestossener Materie und Raumschiff mit ihren jeweiligen Geschwindigkeiten zu jedem Zeitpunkt erhalten bleiben muss.

Mit relativ kleinen Mengen des Edelgases kann dieser Antrieb über viele Wochen und Monate arbeiten und ist dabei effektiver als ein chemischer Antrieb, der für dieselbe Endgeschwindigkeit erheblich mehr Treibstoff braucht, und damit das Raumschiff auch schwerer machen würde. Am Ende kann ein Ionenantrieb das Raumschiff auf eine bis zu zehnfache Geschwindigkeit bringen, als das mit einem konventionellen chemischen Antrieb möglich wäre. Der Satelit Artemis ist ein besonderer Fall, als die zweite Stufe der Ariane 5 nicht genug Schub lieferte, um Artemis in den richtigen Orbit zu bringen gelangte der Sattelit in einen äusserst ungünstigen elliptischen Orbit. Für die konventionellen Korrekturdüsen war nicht genug Treibstoff vorhanden, um den vorgesehen Orbit zu errreichen. Aber für Experimente trug Artemis auch einen Ionenantrieb, der den Satelliten bis zum Sommer 2002 auf die richtige Umlaufbahn bringen soll.

Die Forschungen zu diesem Antrieb wurden zwar schon 1960 begonnen aber der neue Antrieb schien den Anwendern zu riskant, um teure Projekte für Experimente damit zu gefährden. Deep Space 1 startete im Oktober 1998 als erste Sonde der Nasa mit diesen Antrieb, um die Tiefen des Sonnensystems zu erforschen. Mit 81,5 Kilo Xenon sollte der Antrieb über zwanzig Monate hinweg ununterbrochen arbeiten und das Raumschiff auf eine Endgeschwindigkeit von 16000 Stundenkilometern beschleunigen.

Etwas exotischer als der Ionenantrieb mutet schon die Vorstellung an im Weltraum zu segeln, aber das ist nicht so abwegig, wie es auf den ersten Blick erscheint. Von der Sonne geht beständig ein immenser Teilchenstrom aus, der sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Um diesen sogenannten Sonnenwind nutzen zu können braucht es allerdings riesige Segel, die entfaltet werden müssen, wenn sich der Satellit im Weltraum befindet. Neue Materialien wie extrem dünne Kunststofffolien und Kohlefaser sollen die notwendige Leichtigkeit und Stabilität sicherstellen. Zusätzlicher Treibstoff ist dann im Grunde kaum noch nötig, allerdings gibt es für diese Sonden nur eine Richtung in die sie Fliegen und zwar immer Richtung Rand des Sonnensystems. Gegen den Sonnenwind zu Kreuzen ist ohne Kiel leider unmöglich. Trotzdem sind die mit Sonnensegeln erwarteten Geschwindigkeiten so gross, dass man erwartet die vor etwa dreissig Jahren gestarteten Pioneer- und Voyagersonden in wenigen Jahren überholen zu können.

Eine andere Möglichkeit den Sonnenwind weniger Materialintensiv zu nutzen bietet eventuell die Möglichkeit vom Raumschiff ein ausgedehntes elektromagnetisches Feld erzeugen zu lassen, das ebenfalls vom Sonnenwind und seinen ionisierten Atomen und Elektronen mitgeschleppt wird. Dieser Antrieb braucht dann keine riesigen Segel ausklappen, befindet sich aber noch ganz am Anfang der Entwicklung.

Eine andere Entwicklung versucht ein Raumschiff mit Hilfe eines starken Laserstrahls zu beschleunigen. Dabei wird der Laser auf die reflektierende Unterseite des UFO-artigen Raumschiffes gelenkt, die wie ein Parabolspiegel geformt ist und das Laserlicht auf einen Kreisförmigen Bereich in der Brennkammer unterhalb des Gefährts fokussiert. Innerhalb der Erdatmosphäre erhitzt der gepulste Laser so die Luft, die sich in ein heisses Plasma von über 10000°C verwandelt, sich dabei explosionsartig ausdehnt und das Raumschiff vorantreibt. Erste Experimente in der Atmosphäre haben bereits erfolgreich stattgefunden, wobei das Vehikel eine Höhe von über 30 Metern erreichte. Außerhalb der Atmosphäre muss diese Raumschiff eigenen Treibstoff mitführen, der aber auf dieselbe Weise gezündet werden kann.

Aber auch für Raumschiffe im Orbit um die Erde haben sich die Wissenschaftler etwas einfallen lassen. Und zwar soll sich das Raumschiff von einem langen Seil ziehen lassen, das zur Erde hinunter hängt, nein nicht bis ganz nach unten, nur soweit, dass die Spannungsdifferenz in unterschiedlichen Höhen über der Erde ausgenutzt werden kann. Dieses System kann auch zur Energieversorgung genutzt werden indem man die Spannungsdifferenz an den Enden des Kabels abgreift - erste Experimente 1992 an Bord des Space Shuttles verliefen bereits erfolgreich. Das Prinzip ist im wesentlichen das selbe wie in einem Dynamo, nur dass sich hier nicht ein Anker mit Spulen in einem magnetischen Feld dreht, sondern ein langes Kabel durch das Magnetfeld der Erde gezogen wird. Wenn man nun das Kabel selbst unter Strom setzt kann es genutzt werden, um das Raumschiff in einen höheren Orbit zu ziehen. Derzeit gibt es Überlegungen diesen Kabelantrieb an der ISS einzusetzen um die Position zu halten, da die Reibung der Atmosphäre die ISS abbremst und damit den Orbit verringert. Bisher sind dafür regelmässige Treibstofflieferungen nötig, der Kabelantrieb könnte über die Solarzellen versorgt werden.

Ein Warpantrieb ist erst mal nicht zu erwarten, aber die Triebwerke, die wir in naher Zukunft sehen werden können die Eroberung des nahen Weltraums in greifbare und vor allem erschwingliche Nähe rücken.


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BeitragvonDatumAntworten Letzte Antwort
Eine IdeeAlexander Kramer18.08.2013
12:12 Uhr
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