TEIL C

Alternative Antriebe in der Raumfahrt (5)

Im Mai 2015 werden von der NASA im Rahmen des NIAC-Programms 15 neue Projekte zur näheren Auswahl bestimmt, zu denen auch ein Robo-Tintenfisch der Cornell University gehört, der die Tiefen des Jupitermondes Europa erforschen soll (...ja, genau den, den wir laut dem SF-Roman bzw. -Film 2001 nicht besuchen dürfen...). Das Glenn Research Center will wiederum eine U-Boot-Drohne auf den Saturn-Mond Titan bringen.

Ein von der Firma ICS Associates Inc. eingereichtes Projekt betrifft das sogenannte Optical Mining, bei dem mit konzentrierten Sonnenstrahlen das zu Eis gefrorene Wasser von erdnahen Asteroiden abgeschmolzen und in aufblasbaren Säcken eingefangen werden soll.

Nach mehreren Monaten des Sammelns, in denen das Asteroid Provided In-Situ Supplies (APIS) genannte Projekt schätzungsweise 100 Tonnen Wasser als festes Eis ernten kann, soll die Sonde einen solarthermischen Antrieb nutzen, um in einen Orbit um den Mond einzuschwenken. Dort kann das Wasser bei einem Rendezvous einem anderen Raumfahrzeug übergeben werden, welches das Wasser in wertvolle Ressourcen umwandeln würde, beispielsweise zu Trinkwasser, zu Sauerstoff, zu einem Element für Raketentreibstoff oder auch in eine Form zur Strahlungsabschirmung.

Im Juli folgt die Meldung, daß sich das Feld der Bewerber zwischezeitlich auf sieben verringert hat, unter denen sich das Konzept TransFormer des Jet Propulsion Laboratory befindet, bei dem Heliostaten verwendet werden sollen, um Roboter, die in dunklen Bereichen des Mondes unterwegs sind, wie z.B. dem Shackleton-Krater am Mond-Südpol, mit reflektiertem Sonnenlicht zu betreiben. Dort sollen dann ganze Armeen von Rovern Grabungen und Laboranalysen durchführen, um hier langfristig einen Produzenten von flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff für die Betankung interplaneter Reisen zu etablieren.

Im Juli 2015 berichtet die in Colorado beheimatete Firma Escape Dynamics, die 2010 von Richard F. Schaden und einem Wissenschaftler-Team des California Institute of Technology unter der Leitung von Dr. Dmitriy Tseliakhovich gegründet worden war, daß sie ihr neuartiges Antriebssystem erfolgreich getestet habe.

Dabei handelt es sich um ein extern angetriebenes, verbrennungsfreies Schubtriebwerk für Raumfahrtzeuge, das Mikrowellen-Energie mit hoher Leistung und einer Frequenz von 92 GHz verwendet. Der Raumgleiter wird dabei mit Wasserstoff betrieben, welcher aber nicht verbrannt, sondern nur aufgeheizt und dann durch eine Düse ausgestoßen wird, um den Vortrieb zu produzieren. Die Energie dafür wird durch die Mikrowellen auf den Raumgleiter übertragen.

Dazu soll auf dem Boden ein etwa 1 km² großes Feld aus mehreren Hundert Mikrowellen-Parabolantennen mit jeweils 8 – 12 m Durchmesser errichtet werden. An der Unterseite des Raumfahrzeugs ist wiederum ein aus Keramik bestehender, mehrere Quadratmeter großer Absorber angebracht, der die Mikrowellen absorbiert, umwandelt und den Wasserstoff auf über 2.000°C erhitzt.

Der Raumgleiter von Escape Dynamics soll wie eine Rakete starten, die Antennen werden auf den Absorber auf der Unterseite konzentriert und nach dem Start nachgeführt. Wegen des hohen Energiebedarfs der Mikrowellenantennen in der Startphase, besitzt die Bodenstation einen großen Pufferakku, der vor jedem Start entweder über das Stromnetz oder mit Hilfe von erneuerbaren Energien aufgeladen wird.

Ist die Satelliten-Nutzlast im Orbit ausgesetzt, tritt er wieder in die Erdatmosphäre ein und landet anschließend wie ein Flugzeug. Zurück an der Abschußrampe wird das Raumflugzeug auf getankt und ist bereit für die nächste Mission. Das erste Raumschiff soll eine Nutzlast von maximal 200 kg haben und selbst nur rund 800 kg wiegen. Dabei soll es etwa 3,5 Tonnen Wasserstoff mitführen.

Im Jahr 2013 wird die Innovation mit dem Autodesk Innovation Award ausgezeichnet, und 2014 stellt das Unternehmen seine Vision auf dem ,Solve for X’-Gipfel von Google vor.

Bei dem nun erfolgten Versuch des Prototyp-Triebwerks wird eine komplette Antriebssequenz durchgeführt: Ein Gyrotron wandelt elektrischen Strom in Mikrowellen um, die über eine Antenne auf ein Triebwerk gestrahlt werden. Die auftreffenden Strahlen werden von einem Wärmetauscher in Schub verwandelt, der mehr als 90 % der eingehenden Mikrowellenenergie aufnimmt.

Das vielversprechende Ergebnis des Tests zeigt eine Leistung, welche die der konventionellen chemischen Verbrennungsraketen um etwa 10 % übertrifft. Durch die Umsetzung dieser Technologie könnten einstufige und wiederverwendbare Orbital-Raumflugzeuge auf den Markt gebracht werden, die in Flugzeug-ähnlichen Operationen die Kosten für den Zugang zum All drastisch verringern – die Rede ist von 150 $/kg Nutzlast.

Für die folgende F&E-Phase bis zum ersten suborbitalen Flug werden etwa 200 Mio. $ benötigt, während die Gesamtkosten, um das System bis zu vollen Orbitalflügen zu skalieren, auf etwa eine Milliarde Dollar geschätzt werden.

Ende des Jahres 2015 stellt die Escape Dynamics allerdings ihre Geschäftstätigkeit ein, da es nicht gelungen war, eine ausreichende Finanzierung zu beschaffen. In einer kurzen Erklärung auf der Website des Unternehmens ist zu lesen, daß das Konzept momentan ökonomisch unattraktiv sei.

Presseberichten vom September 2015 zufolge hat der australische Student Patrick ,Paddy’ Neumann von der University of Sydney im Rahmen seiner Dissertation einen neuartigen Ionen-Antrieb entwickelt, der effizienter arbeitet als alle bisher genutzten Technologien, einschließlich des HiPEP (s.o.). Beim Vergleich des spezifischen Impulses, genauer gesagt der Dauer des Schubs, wenn 1 kg Treibstoff verbrannt wird, erreicht der HiPEP Spitzenwerte von 9.600 Sekunden, während Neumanns Antrieb mit 14.960 Sekunden, also über 4 Stunden, rund 50 % effektiver ist.

Durch den geringen Verbrauch des neuen Antriebs, der sich noch in der experimentellen Phase befindet, könnte eine Rakete mit nur einer Tankfüllung des richtigen Treibstoffs zum Mars und zurück fliegen. Mit Magnesium betrieben wäre der Rote Planet in zwei Jahren erreicht, mit Molybdän bereits in 10 Monaten. Daneben sollen sich aber auch andere Materialen nutzen lassen - von Kohlenstoff aus recycelten menschlichen Abfällen bis hin zu Aluminiumschrott (beispielweise aus Weltraummüll).

Neumann hatte schon im April 2012 den Postgraduiertenpreis Australia Asia Award des Premierminister gewonnen und ist anschließend an die City University of Hong Kong gegangen, um dort in der großen Vakuumkammer gepulste Plasma-Raumfahrzeug-Antriebssysteme zu testen und seinen Doktor der Physik zu machen. Inzwischen hat er auch ein Patent auf seine Idee angemeldet und im australischen Brompton das Unternehmen Neumann Space gegründet.

Im nächsten Schritt soll nun die Finanzierung auf sichere Beine gestellt werden, um die Erforschung und Entwicklung des Antriebs weiter vorantreiben zu können. Im September 2016 wird gemeldet, daß der Antrieb im kommenden Jahr auf der ISS getestet werden soll. Von weiteren Umsetzungen ist bislang nichts bekannt.

Im Oktober 2015 folgt die Meldung, daß Wissenschaftler am französischen Centre national de la recherche scientifique (CNRS) um Julien Vaudolon eine Lösung gefunden haben, um Hall-Triebwerke auch für lange Raummissionen geeignet zu machen. Das bislang bestehende Problem dabei sind nicht die Anode, die Kathode oder gar die Ionen, sondern der Behälter, in dem sie sich befinden. Die Röhre selbst gibt nämlich Elektronen ab und wird auch von Ionen getroffen und degradiert. Alles in allem kann man etwa 10.000 Betriebsstunden aus einem Hall-Triebwerk herausholen, was nicht annähernd genug für die tiefe Weltraumforschung oder den Weg zum Mars ist.

Die Forscher entscheiden sich deshalb dafür, die Röhre zu entfernen. Das erste Design (links) ist ein Mißerfolg. Die rote Anode sollte an der Wand ausgerichtet sein, die Xenon emittiert. Stattdessen liegt sie im magnetischen Feld, so daß Elektronen darauf landen und die Leistung reduzieren. Das neue Design (oben rechts) zeigt die kleine Veränderung, die es der Anode ermöglicht, sich vom Feld zu befreien.

Die zufriedenstellende Leistung des PPS-Flex genannten 1,5 kW Triebwerks, das aber noch weiter optimiert werden soll, könnte den Weg zur Entwicklung eines hocheffizienten, wandlosen Hall-Triebwerks ebnen und zudem die Menge des benötigen Treibstoffs deutlich reduzieren.

Im Dezember 2015 schlagen Lei Lan und seine Ingenieurkollegen von der Tsinghua University in Peking eine neue Lösung für das Problem des Weltraummülls vor. Ihre Idee ist, einen Motor zu bauen, der Weltraummüll in Treibstoff umwandelt und so fast unbegrenzt manövrieren kann, während er den Schrott aufmischt (,Debris Engine: A Potential Thruster for Space Debris Removal’).

Weltraummüll ist ein drängendes Problem für die Erde-umkreisende Raumfahrzeuge, und es könnte deutlich schlechter werden. Wenn die Dichte des Mülls eine gewisse Schwelle erreicht, prognostizieren die Analysten, daß die durch Kollisionen verursachte Fragmentierung eine Kettenreaktion auslösen wird, die den Himmel mit einer immer größeren Zahl von Fragmenten füllen wird. Nach einigen Schätzungen konnte dieser Prozeß bereits im Gange sein. Eine extrem beschleunigte Variante davon ist in dem 2013 erschienenen Film Gravity mit Sandra Bullock und George Clooney zu sehen.

Der reale Hintergrund ist eine Hochgeschwindigkeitskollision im Februar 2009, als der Kommunikationssatellit Iridium 33 plötzlich verstummt. Das U.S. Space Surveillance Network berichtet in den darauffolgenden Stunden, daß es zwei große Trümmerwolken verfolgt – eine von dem Iridium, und eine andere, die von dem stillgelegten russischen Kommunikationssatelliten Kosmos-2251 stammt. Es ist das erste (bekannte) mal, daß so etwas zwischen Satelliten passiert, und als Ergebnis entstehen über 1.000 Fragmente, die größer als 10 cm sind, und eine noch viel größere Anzahl kleinerer Stücke – eine tödliche Wolke, die sich um den ganzen Planeten ausbreitet.

Eine offensichtliche Lösung ist, Wege zu finden, diese Trümmer zu entfernen. Einige Möglichkeiten wurden schon gestreift. Die neue, grundsätzlich einfache Idee des chinesischen Teams basiert darauf, daß bei einer ausreichend hohen Temperatur jedes Element in ein Plasma von positiven Ionen und Elektronen verwandelt und dann als Treibstoff verwendet werden kann, indem man es durch ein elektrisches Feld beschleunigt.

Die Details sind allerdings komplexer. Insbesondere die Aufgabe, den Müll in ein nutzbares Plasma zu verwandeln, ist nicht ganz einfach. Lei und sein Team konzentrieren ihre Bemühungen auf Trümmer, die kleiner sind als 10 cm. Ihre Idee ist es, diese mit einem Netz einzufangen und dann in eine Kugelmühle zu speisen, in der sie zu Pulver in Mikrometergröße oder kleinere zermahlen werden. Dieses Pulver wird anschließend stark erhitzt und in ein System eingespeist, das positiv geladene Ionen von negativ geladenen Elektronen trennt.

Die positiven Ionen passieren dann in ein starkes elektrisches Feld, das sie beschleunigt und Schub erzeugt, während sie ausgestoßen werden. Die Elektronen werden auch vertrieben, um das Raumfahrzeug elektrisch neutral zu halten. Der eigentliche Schub, den dies hervorbringt, hängt natürlich von der Dichte der Trümmer ab, von der Art des erzeugten Pulvers, der Größe der positiven Ionen usw., was alles schwer zu messen ist.

Und während das Raumfahrzeug keinen Treibstoff mitführen muß, braucht es doch eine starke Energiequelle. Lan et. al. sagen, daß sich hierfür Solar- oder Atomkraft eignen würden, wobei sie aber nicht auf die ernsten Bedenken eingehen, die jedes nuklear angetriebene Raumfahrzeug in der Erdumlaufbahn erzeugen würde. Dennoch bietet die Arbeit Denkanstöße in einem Bereich, in dem neue Ideen dringend benötigt werden, bevor sich die Umlaufbahnen mit noch mehr Trümmern füllen.

Alternative Antriebe können aber auch noch mit ganz anderen Treibstoffen betrieben werden. Im April 2016 glückt beispielsweise im vierten Anlauf der Start einer Forschungsrakete namens ZepHyR vom Weltraumbahnhof Esrange im nordschwedischen Kiruna, die mit Parafin und flüssigem Sauerstoff betrieben wird – einem „Öko-Raketenantrieb der Zukunft“.

Die 80 kg schwere und 3,8 m lange Rakete verfehlt zwar ihr Ziel von 4.000 m Flughöhe, kommt aber immerhin auf 1.500 m – vermutlich, weil das Studententeam der Universität Bremen um den Raketenforscher Peter Rickmers bei diesem Versuch übervorsichtig war und zu wenig Sauerstoff getankt hatte. An dem über das ,STERN’-Programm des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) gesponserten Projekt wird seit rund vier Jahre gearbeitet. Dabei wurden 30 Triebwerktests absolviert.

Ebenfalls im April 2016 stellen Prof. Jekan Thanga und Studententeam der Arizona State University (ASU) nach zweijähriger Entwicklungszeit ihren SunCube FemtoSat vor, der mit seinen 3 cm³ noch kleiner als ein Standard-CubeSat ist. Der Würfel wiegt nur noch 35 g, ein längeres Modell von 3 x 3 x 9 cm, das auch Platz für eine Nutzlast bietet, 100 g.

Die aus handelsüblichen Teilen gefertigten FemtoSats verfügen über eigene Kommunikations-, Datenerfassungs- und Antriebssysteme und werden von Solarzellen versorgt, die aus Abfallmaterial der Hersteller zugeschnitten worden sind. Die Kosten dafür, einen FemtoSat zur Internationalen Raumstation zu senden sollen nur 1.000 $ betragen, das Verlassen der Erdanziehung würde geschätzte 27.000 $ kosten.

Das Team arbeitet nun daran, einen Prototyp im nächsten Jahr in die Umlaufbahn zu bekommen, voraussichtlich Huckepack als sekundäre Nutzlast Asteroid Origins Satellite Mission (AOSAT 1). Dies ist übrigens ein CubeSat-Zentrifugenlabor, das sich mit bis zu 4 U/min dreht, um die Milligravitationsbedingungen von Asteroiden mit einem Durchmesser von weniger als 1 km zu simulieren.

Nachdem Luxemburg im Februar 2016 öffentlich verkündet hatte, daß er Europas Drehkreuz für die Förderung und die Nutzung von Ressourcen aus dem Weltraum werden und eindeutige Gesetze für den Weltraumbergbau schaffen will, um Firmen und Investoren anzulocken, wird im Mai bekannt, daß der Kleinstaat eine Partnerschaft mit der 2013 gegründeten US-Firma Deep Space Industries (DSI) eingegangen ist, um in vier Jahren zum ersten Mal Bergbautechniken für Asteroiden im Weltraum zu testen.

Das Weltraumunternehmen DSI, das seinen Sitz schon in Luxemburg hat, wird u.a. mit der Universität Luxemburg zusammenarbeiten, um im Rahmen des Projekts ein Raumfahrzeug zu verwenden, das wichtige Basistechnologien für die erste Mission zur Erforschung von Asteroiden testen soll. Hierfür wird ein Roboter-Raumfahrzeug namens Prospector-X vorgestellt, das schon im nächsten Jahr in die Erdumlaufbahn starten soll. Das Demonstrationsfahrzeug besitzt ein optisches Navigationssystem, ein Avionikkern, der auch intensive Ausbrüche kosmischer Strahlung überstehen kann – sowie ein kleines, patentiertes Triebwerk, das mit Wasser betrieben wird. Leider gibt es noch keine näheren Datails dazu.

Nachdem Prospector-X erfolgreich im erdnahen Orbit geflogen ist, soll sein Nachfolger Prospector-1 schon im Jahr 2020 zu einer Mission auf einen Asteroiden starten.

Übrigens erwägt auch die ebenfalls im Weltraum-Bergbau tätige US-Firma Planetary Resources, zu deren Investoren u.a. der Google-Gründer Larry Page gehört, eine Sitzverlegung in das Großherzogtum. Nach den Plänen der Privatfirma sollen ihre Robotersonden auf Asteroiden landen und dort etwa Platin, Iridium, Palladium und andere Seltene Erden abbauen.

Im August 2016 stellt der kanadische Ingenieur und Angel-Investor Charles Bombardier aus Montreal ein Raumfahrtkonzept vor, mit dem sich das All viel schneller und günstiger bereisen ließe, als mit bisherigen Transportmethoden. Das Teuerste und Schwierigste in der Raumfahrt sind die Beschleunigungs- und Bremsphasen. Sobald das Raumfahrzeug dagegen seine Reisegeschwindigkeit erreicht hat, benötigt es kaum noch Energie um sich zwischen den Himmelskörpern und Raumstationen in unserem Sonnensystem fortzubewegen.

Basierend auf diesen Fakten, hat der Forscher Bombardier das Konzept eines ,Weltraumzug’ namens Solar Express entwickelt, der mittels Raketen in Bewegung gesetzt wird und dann Planeten und Monde umkreist, um von deren Anziehungskraft immer weiter beschleunigt zu werden. Dadurch könnte er letztlich 3.000 km/s erreichen, immerhin 1 % der Lichtgeschwindigkeit. Ein Trip von der Erde zum Mars würde dabei gerade einmal 37 Stunden dauern. Und auch der Neptun wäre innerhalb von 18 Tagen erreichbar, falls der Zug gerade in dieser Richtung unterwegs ist.

Damit die Energie der Beschleunigung nicht verloren geht und man keinen zusätzlichen Treibstoff für Bremsmanöver aufwenden muß, soll der Solar Express niemals anhalten. Stattdessen werden Menschen und Frachtgut mit kleinen Transportkapseln von und zum Solar Express befördert, der aus sechs zylinderförmigen Anhängern besteht, die jeweils rund 50 m lang sind und wiederum aus vier Teilen bestehen, die unabhängig voneinander abgekoppelt werden können und über eigene Antriebe verfügen.

Allerdings müßten die Transportkapseln die gleiche Geschwindigkeit erreichen, was bedeutet: Je schneller der Zug unterwegs ist, desto energieintensiver ist auch jedes Andockmanöver – was auch für das Abbremsen gilt. Der Vorgang wäre aber trotzdem viel günstiger, als den gesamten Zug anzuhalten.

Wohnen würde die Besatzung des Weltraum-Zuges in einer großen Raumstation am Kopf, welche die gesamte Zeit um die eigene Achse rotiert, um künstliche Schwerkraft herzustellen. Interessant wird es bei der Energieversorgung, für die entlang der Flugstrecken riesige Solarkollektoren plaziert werden sollen, die ihre Energie per Laser an den Zug übertragen.

Zwar handelt es sich derzeit mehr um ein abstraktes Konzept als ein tatsächliches Projekt, doch die Idee ist geboren – und vielleicht wächst sie auch.

Eine im September 2016 gestartete Kickstarter-Kampagne der 2008 von Ramesh Kris Nathan und Robert Garcia gegründeten Firma Relativity Research Inc., bei der 25.000 $ zur Entwicklung einer „echten fliegenden Untertasse“ namens Aten eingesammelt werden sollen, die durch das Universum reist, indem sie „die Raumzeit verkürzt“, ohne dabei einen Tropfen Kraftstoff zu verbrauchen, geht fatal in die Hose, als nur neun Unterstützer magere 146 $ spenden. Mehr ist dann auch nicht darüber zu erfahren.

Im Oktober 2016 stellen Forscher des Los Alamos National Laboratory um Bryce Tappan einen neuartigen Antrieb für CubeSats vor, der den Missionsbereich erheblich erweitern könnte, den die kleinen und kostengünstigen Satelliten abdecken. Er würde z.B. erlauben, höhere Bahnen zu erreichen, mehrere Kleinsatelliten in einer einzigen Mission zusammenzufassen, die Lebensdauer der Missionen zu verlängern und die CubeSats wieder zur Erde zu lenken, wenn sie ihre Mission beendet haben.

Das Konzept des innovativen und sicheren Raketenantriebs basiert auf einer nicht-explosiven chemischen Technologie, die mit einem festem Brennstoff und einem festen Oxidationsmittel auskommt (segregated fuel oxidizer system), welche in dem CubeSat vollständig getrennt untergebracht sind. Ein CubeSat-kompatibles sechsmotoriges Antriebsgerät ist bereits erfolgreich am Boden getestet worden. Nun soll das Antriebssystem bald auf einen Satelliten installiert werden, um die Antriebsfähigkeit im Raum zu demonstrieren. Da es sich um ein Brennstoff-betriebenes System handelt, soll hier aber nicht weiter darauf eingegangen werden.

Im Februar 2017 berichten die Fachblogs, daß der Wissenschaftler Luke Roberson am Kennedy Space Center der NASA eine dünne Festkörper-Batterie konstruiert hat, die in erster Linie für den Einsatz in CubeSats gedacht ist. Roberson arbeitet mit Prof. Xiangyang Zhou von der University of Miami zusammen, der die Chemie und Struktur für die Batterie entwickelt hat, sowie mit dem Materialwissenschaftler Ryan Karkkainen von derselben Universität.

Mit einer Dicke von 2 – 3 mm können die neuen Batterien in die Struktur der Kleinsatelliten integriert werden, anstatt Raum einzunehmen, der eigentlich für wichtigere Forschungsinstrumente vorgesehen ist. Hergestellt werden die neuartigen Batterien, indem jeweils eine Festkörper-Batterie-Schicht zwischen zwei Schichten komprimierter Kohlefasern gepackt wird.

Nachdem ein paar Quadrate übereinander gestapelt sind, werden die Stapel in einen Vakuumbeutel gelegt und ,entleert’, indem alle Luft abgesaugt wird, um die Schichten zu komprimieren. Anschließend kommen die Stapel in einen Ofen, um bei 121°C das Harz zu härten und die Fasern miteinander zu verbinden. Sollte der Prototyp der Batterie zur Produktreife weiterentwickelt werden, könnte er natürlich auch Energie in Autos, in den Wänden eines Hauses oder auf andere Planeten speichern.

Neben den vorstehenden Antrieben gibt es aber noch weitere Technologien, die eine Erwähnung verdienen.

So wird die Firma Tethers Unlimited Inc. (TUI) im September 2000 von dem 1998 gegründeten NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC), das unkonventionelle Konzepte für die Luft- und Raumfahrt identifiziert und fördert, damit beauftragt, ein cislunares Tether Transport System zu konzipieren. Kooperationspartner ist die Boeing North America, mit der zusammen auch an einem Hypersonic Airplane Space Tether Orbital Launch (HASTOL) System gearbeitet wird. Die 1994 gegründete TUI aus Bothell, Washington, hat sich zum Ziel gesetzt, mittels Tether-Technologien ein ,öffentliches Nahverkehrssystem im Raum’ zu entwickeln.

Es gibt zwei allgemeine Kategorien von Tethern: zum einen ein Transport-System, das  Impuls-Austauschtechniken nutzt – und zum anderen ein elektrodynamisches System, das  mehrere Nutzlasten mit wenig oder ganz ohne Treibstoff transportieren kann.

Ein Impulsaustausch-Halteseil (momentum exchange tether) ist ein langes Kabel aus dünnen Strängen hochfester Fasern wie Spectra oder Kevlar, das verwendet wird, um zwei Objekte im Raum zusammen zu koppeln, so daß sie untereinander Impuls und Energie austauschen können. Damit kann eines der Objekte gegenüber dem anderen nach oben oder unten gedrückt werden – weshalb es als eine Form von Weltraumantrieb bezeichnet werden kann.

Die uns an dieser Stelle mehr interessierenden elektrodynamischen Tether wiederum sind lange Seile, die im Weltall rechtwinklig zum Magnetfeld eines Planeten ausgelegt werden. Da einem elektrischem Leiter, der durch ein Magnetfeld bewegt wird, Spannung induziert wird, kann sich ein Satellit mittels ausreichend weit auslegten Tethern selbst mit Energie versorgen.

Der Nutzen dieses Effekts wird allerdings dadurch eingeschränkt, daß der Leiter, in dem die Spannung induziert wird, selbst ein dem Erdmagnetfeld entgegengesetztes Feld erzeugt, wodurch es zu einer Abbremsung des gesamten Systems aus Raumflugkörper und Tether kommt (Lenzsche Regel). Umgekehrt kann ein Tether, durch den ein starker Strom fließt, zur Beschleunigung eines Satelliten beitragen, da auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld eine Kraft wirkt (Lorentzkraft).

Basiereend auf diesen Technologien will die TUI mittelfristig eine 90 km lange High-strength Electrodynamic Force Tether (HEFT) in eine Umlaufbahn um die Erde bringen, um anschließend eine Lunavator Facility mit einem Tether von 200 km Länge - nebst Gegengewicht und zentraler Masse - in einer Umlaufbahn um den Mond zu plazieren, mit welcher sich Nutzlasten absetzen und aufnehmen lassen. Und langfristig steht das Projekt Mars-Earth Rapid Interplanetary Transport Tether (MERRITT) an.

Da dies aber noch etwas weiter in der Zukunft liegt, beschäftigt sich die TUI erst einmal mit elektrodynamischen Kabeln, die im planetarischen Magnetfeld Schub erzeugen. Als erster Schritt soll im August 2000 vom Marshall Space Flight Center aus eine Delta II Rakete mit einem Air Force Satelliten starten, von der aus im Orbit außerdem ein 15 km langer Draht mit dem Namen Propulsive Small Expendable Deployer System (ProSEDS) ausgerollt und dazu eingesetzt werden soll, um die Umlaufbahn einer verbrauchten Raketenstufe schneller zu senken als dies durch die natürlichen atmosphärischen Einflüsse geschieht.

Hierbei erklärt sich auch die Funktion des Icarus genannten Projekts: Im Gegensatz zu den ersten 10 km des ProSEDS-Drahtes sind die letzten 5 km freigelegt, d.h. ohne Isolierung, um eine elektrische Verbindung zu dem Plasma rund um die Erde herzustellen. Die zweite Stufe der Rakete umkreist die Erde und der mitgeschleppte Draht durchschneidet das irdische Magnetfeld. Zusammen mit der Bordelektronik, den den Kreis schließt, erzeugt der Draht einen elektrischen Strom auf Kosten der Geschwindigkeit, was die Senkung der Flughöhe  zur Folge hat.

Tethers sind schon zuvor im Weltraum getestet worden, jedoch mit unterschiedlichem Erfolg. Zum ersten mal erfolgt das Abrollen eines 30 m langen, durch Rotation stabilisierten Drahtes im September 1966 von Gemini 11 aus. Der nächste Schritt erfolgt mit der gemeinsam mit der italienischen Raumfahrtagentur ASI geplanten und durchgeführten Tethered Satellite System Mission 1 (TSS-1 ) – an Bord des Space Shuttle Atlantis im Juli/August 1992. Aufgrund mechanischer Probleme lassen sich von dem 20 km langen Kabel aber nur 260 m ausrollen.

In den Jahren 1993 und 1994 startet die NASA zwei Experimente mit dem Namen Small Expendable Deployer System (SEDS-I und SEDS-II), bei denen die 20 km langen Kabel an der ausgebrannten zweiten Stufe einer Delta-II Rakete angebracht werden. Im Juni 1993 wird – ebenfalls als sekundäre Nutzlast einer Delta II Rakete – ein Plasma Motor-Generator (PMG) mit einem 500 m langen Kabel zum Einsatz gebracht, um die Funktion von elektrodynamischen Tethern zu demonstrieren. Nähere Informationen dazu liegen mir noch vor.

Im Februar 1996 scheitert dann auch die Nachfolgemission TSS-1R, bei welcher  ein Tether-Satellit aus dem Space Shuttle Columbia freigesetzt wird. Zwar entfaltet sich der Draht auf nur 19,7 km bevor er reißt, aber das ist lang genug, um zahlreiche wissenschaftliche Spekulationen überprüfen. Anderen Quellen zufolge reißt das Band fünf Stunden nach seinem Aussetzen, wobei es bis dahin ein Potential von 3.500 Volt erzeugt hat. Es wird angenommen, daß der Fehler durch einen elektrischen Lichtbogen verursacht wurde, den die Bewegung des leitfähigen Seils durch das Magnetfeld der Erde erzeugt hat.

Ebenfalls 1996 wird vom US Naval Research Laboratory das Projekt Tether Physics and Survivability Experiment (TiPS) gestartet, bei dem zwei Satelliten namens Ralph und Norton mit einer gemeinsamen Masse von knapp 50 km durch ein 4 km langes Kabel von 2 - 3 mm Durchmesser miteinander verbunden werden.

Das Experiment, bei dem Versuche mit Orbital-Manövrieren, Energieerzeugung und künstlicher Schwerkraft stattfinden, wird bis zum Juli 2006 fortgeführt, als das Halteseil reißt.

Die Europäische Weltraumorganisation ESA bringt ihrerseits im Oktober 1997 den Young Engineers Satellite (YES) mit einem Gewicht von etwa 200 kg mit einer Ariane-5G-(502) vom Weltraumbahnhof in Französisch-Guayana auf eine geostationäre Transferbahn (GTO), der in etwa sechs Monaten von mehr als vierzig jungen Ingenieuren und Studenten aus zehn Ländern gebaut wurde und u.a. mit einem 35 km langen Doppelstrang-Kabel ausgestattet ist. Damit soll die Sonde durch Schwingen des Tether-Systems auf nahezu interplanetare Geschwindigkeit gebracht werden. Aufgrund eines kurz vor dem Start geänderten Orbits kann das Tether-Experiment aber nicht ausgeführt werden, um andere Satelliten im Geotransferorbit nicht zu gefährden.

Beim Nachfolger, dem Young Engineers Satellite 2 (YES2), der zehn Jahre später im September 2007 von Baikonur aus gestartet wird, umfaßt die Mission das Abspulen eines Tethers aus einem 0,5 mm dünnem und 30 km langem Seil aus Dyneema-Kunstfasern, an dessen Ende sich die Wiedereintrittskapsel Fotino befindet. Fotino, eine etwa 5,5 kg schwere, kugelförmige Kapsel, soll mit Hilfe des Tethers ohne die sonst üblichen Raketenstufen oder Triebwerke auf eine Wiedereintrittsflugbahn gebracht werden, um dann an einem Fallschirm wieder in Kasachstan zu landen.

Nach Auswertung der Flugdaten wird davon ausgegangen, daß der Tether zwar bis zur vollen Länge abgewickelt wurde, dann aber gerissen ist. Fotino ist daraufhin vermutlich in der Nähe des Aralsees niedergegangen, konnte bislang aber nicht aufgefunden werden.

Zurück zur Firma TUI, die im September 2000 zwar das Patent ,Electrodynamic Tether And Method of Use’ erhält (US-Nr. 6.116.544, beantragt 1997), dann jedoch einen herben Rüclschlag verkraften muß, als das ProSEDS-Projekt zuerst auf den Frühsommer 2002 verschoben wird – um nach der Columbia-Katastrophe im Februar 2003 völlig gestrichen zu werden.

Weiter geht es erst im Jahr 2007, als die TUI in Zusammenarbeit mit der Stanford University das Multi-Applikation Survivable Tether (MAST) Experiment durchführt, um die Überlebensfähigkeit von Tethern im Raum zu testen. Im April werden als sekundäre Nutzlast einer Dnepr-Rakete drei jeweils 1 kg schwere CubeSat Module (Gadget, Ted und Ralph) in den Orbit gebracht, die dazu bestimmt sind, sich zu trennen und ein 1 km langes Kabel abzuwickeln.

Die Idee für dieses Projekt geht auf einen Vorschlag von Robert P. Hoyt und Robert L. Forward aus dem Jahr 1995 zurück, die sich dafür den Markennamen Hoytether schützen lassen. Das Konzept umfaßt neue Topologie für einen Tether, die aus einem Gitter aus Strängen besteht, die in einem kreisförmigen Profil angeordnet sind und eine hohe Redundanz besitzen, um möglichen Schäden durch Weltraummüll und Mikrometeoriten zu widerstehen (US-Nr. 6.290.186, angemeldet 2000, erteilt 2001).

Nach dem Start gelingt zwar, Kontakt mit dem mittleren Picosatellit Gadget herzustellen, der eigentlich als Tether-Inspektor langsam das Kabel nach oben und unten kriechen und dabei Fotos machen sollte, nicht aber mit Ted, der den Tether abspulen sollte, noch mit der ,Endmasse’ Ralph. Spätere Radarmessungen zeigen, daß sich das Kabel nur einen Meter weit abgerollt hatte.

Im März 2008 werden dann ihm Rahmen des MISSE-6 Experiments mehrere kurze Proben der von TUI hergestellten Tether auf der Außenseite der Internationale Raumstation ISS installiert. Bei dem vom Space Science and Engineering Laboratory der Montana State University entwickelten Experiment sollen Tether untersucht werden, mit und ohne Beschichtungen, welche die hochfesten Polymergarne vor atomarem Sauerstoff und UV-Licht in der Weltraumumgebung schützen.

Zwischen 2000 und 2015 hat die TUI eine schier unglaubliche Zahl an Forschungsverträgen der NASA, DARPA, NAVY usw. abgegriffen, doch tatsächliche Erfolge kann sie bislang noch immer nicht vorweisen. Dem aktuellen Stand zufolge entwickelt TUI ein Antriebssystem namens Microsatellite Propellantless Electrodynamic Tether (μPET), das als kleines, elektrodynamisches Low-Power Tether-System beschrieben wird, welches für Kleinsatelliten Langzeit-Schub, Abbremsung, Neigungsänderung und Lageerhaltungs-Antrieb liefern soll. Ein erster μPET-Prototyp soll einen 125 kg Mikrosatelliten von einer 350 km hohen Absetz-Umlaufbahn innerhalb von 50 Tagen auf eine 700 km hohe Einsatzbahn heben können.

Ähnliche Forschungen werden auch in Japan durchgeführt. Im Januar 2009 startet als sekundäre Nutzlast an Bord einer japanischen H-IIA Trägerrakete die Mission Space Tethered Autonomous Robotic Satellite (STARS oder Kukai), die im Rahmen des Kagawa Satellite Development Project an der Kagawa University entwickelt wurde. Ähnlich dem o.g. MAST-Experiment basiert auch STARS auf einer CubeSat Plattform.

Nach dem Start sollte sich der Satellit Kukai in seine zwei Subsatelliten Ku und Kai trennen, die durch ein 5 m langes Kabel miteinander verbunden sind. Der Satellit trennt sich zwar erfolgreich von der Rakete und wird in die vorgesehene Umlaufbahn gebracht, doch der Tether kann aufgrund von Problemem mit der Startverriegelung des Aufwickelmechanismus nur auf eine Länge von mehreren Zentimetern abgewickelt werden.

Ende August 2010 startet vom Uchinoura Space Center aus eine S-520-25 Trägerrakete der JAXA, um während eines rund 10-minütigen Fluges das Prinzip der elektrodynamischen Seile (Electro-Dynamic Tethers, EDT) zu erforschen. Hierfür setzt die Rakete in 309 km Höhe ein 200 m langes und 2,5 cm breites, metallisches Gummiband aus. Dieses bewegt sich durch das Magnetfeld der Erde, wobei Spannung erzeugt wird. Der Leiter erzeugt dabei selbst ein Magnetfeld, das dem der Erde entgegengesetzt ist. Dadurch kommt es zu einer Abbremsung des gesamten Systems. Mit einem EDT kann die Bahn eines Flugkörpers verändert werden, was man ja auch mit dem Weltraummüll machen möchte.

Das EDT Projekt namens T-Rex (Tether Technologies Rocket Experiment) wird von Hironori Fujii vom Kanagawa Institute of Technology in Tokio geleitet. Ein längerer Demonstrationsflug ist für 2013 oder 2014 geplant.

Im Jahr 2012 erhält die in Mt Pleasant, South Carolina, beheimatete und 1998 gegründete Firma Star Technology and Research Inc. (STAR), die sich im übrigen auch mit dem Thema Weltraumlift (oder Weltraumaufzug, Space Elevator) beschäftigt, einen Vertrag der NASA in Höhe von 1,9 Mio. $ zur Entwicklung eines Tether-Antriebssystems, das unter dem Namen ElectroDynamic Debris Eliminator (EDDE) für die Orbitalmüllbeseitigung qualifiziert ist. Eine Machbarkeitsstudie hatte das Unternehmen bereits im Jahr 2010 im Auftrag der Navy/SPAWAR durchgeführt, und im März 2011 wurde das Patent ,Electrodynamic Structure’   erteilt (US-Nr. 7.913.954, angemeldet 2006).

Basierend auf dem elektrodynamischen Raumfahrtantrieb ist das Ziel ein treibstoffloses,  wiederverwendbares Raumfahrzeug mit nahezu unbegrenztem delta-V, das überall im erdnahen Orbit manövrierbar und dabei kompakt und leicht ist (0,11 m³ / 100 kg). Das Aufnehmen des Raummülls soll mit leichten Netzen erfolgen. Schritte zur Umsetzung des Konzepts sind bislang nicht zu verzeichnen.

 

Einige Hinweise zum Abschluß: Auf Wikipedia befand sich einst eine ,Liste der Raumflugkörper mit elektrischem Antrieb’, die zwischenzeitlich allerdings verschwunden ist. Elektrische Antriebe werden nun unter dem Oberbegriff Antriebsmethoden für die Raumfahrt aufgeführt.

Eine übersichtliche Seite mit ausführlichen Details stammt von David Darling: Advanced Propulsion Concents and Projects.

 

Damit endet die lange Reise durch die wahrlich große Welt der (bekannten) Erneuerbaren Energien. Doch bevor Sie meinen digitalen fliegenden Teppich wieder verlassen, gibt es noch ein Abschluß-Statement, das ich Ihnen ans Herz legen möchte.

 

Weiter mit dem Abschluß-Statement...