Wenn Satelliten Luft atmen

Der tiefe Erdorbit ist heute bereits dicht bestückt und soll künftig mit ganzen Schwärmen von Satelliten geflutet werden – was Astronomen angesichts von wohl Zehntausenden neuen Satelliten Sorgenfalten auf die Stirn treibt. Ein Motor für die Entwicklung ist das Projekt „Starlink“ des US-Unternehmers Elon Musk, der damit einen weltweiten Internetzugang übers All gewährleisten will. Doch der sehr niedrige Orbit bietet trotz des hohen Luftwiderstands gegenüber dem LEO nicht nur aus Platzgründen deutliche Vorteile: Je tiefer der Orbit, in dem ein Satellit platziert wird, desto preisgünstiger ist der Transport dorthin mit einer Trägerrakete, und desto geringer muss auch die Leistung der Antennen des Satelliten sein.

Wenn man einen Kommunikationssatelliten auf 160 Kilometern statt auf 640 Kilometern Höhe „parkt“, also nur mit einem Viertel der Distanz zur Empfangsstation auf der Erde, dann benötigt man bloß ein Sechzehntel an Antennenleistung. Für Radargeräte und optische Kameras auf Wetter- und Erderkundungssatelliten gilt Ähnliches. Daher können die Satelliten wesentlich kleiner und günstiger gebaut werden.

Umgebungsluft wird zu Treibstoff

Doch sie benötigen dazu einen konstant laufenden Antrieb, der viel Treibstoff verschlingt. „Die Idee hinter luftatmenden Triebwerken besteht darin, die Gasmoleküle aus der Umgebung einzusammeln, zu komprimieren und dann als Treibstoff für das Triebwerk zu nutzen“, erklärt Maria Smirnova von der TransMIT Gesellschaft für Technologietransfer in Gießen. Sie leitet die dortigen Aktivitäten zum EU-Projekt „Aether“, das sich der Entwicklung eines solchen Triebwerks verschrieben hat und an dem Forschungsinstitute aus sechs europäischen Ländern mitwirken.

Ein luftatmendes Triebwerk benötigt keine beweglichen Teile – dafür ist die Geschwindigkeit des Satelliten von rund acht Kilometern pro Sekunde in dieser Höhe viel zu groß. Es funktioniert rein elektrisch nach dem Staustrahlprinzip. Dabei wird das Gas allein durch die hohe Fluggeschwindigkeit eingesammelt und verdichtet. Dahinter folgt die Ionisationsstufe und schließlich das Ionentriebwerk, das für den Vorwärtsschub sorgt.

In den letzten Jahren gab es in Europa und weltweit erste Laborversuche dazu, wie sich ein solches Triebwerk erst zünden und dann abschalten und wieder neu zünden lässt. Eine zuverlässige Ionisation des Gases gilt als technisch am schwierigsten zu meisternde Herausforderung beim Bau eines luftatmenden elektrischen Triebwerks.

Der Satellit umhüllt das Triebwerk

„Weltweit werden unterschiedliche Konzepte für solche Antriebe verfolgt“, berichtet Smirnova. So gibt es die Idee, an der Vorderseite des Satelliten Gas einzusammeln und dieses über ein Leitungssystem an die Antriebseinheit auf der Rückseite des Flugkörpers zu transportieren. „Europäische Konzepte wie Aether beruhen hingegen auf dem Prinzip, den Einlass und den Antrieb direkt miteinander zu verbinden, sodass sie die gesamte Mittelachse des Satelliten einnehmen.“ Der wird damit sozusagen um den Antrieb herumgebaut. Derzeit steckt das Projekt noch in der Entwicklungsphase, und unterschiedliche technische Lösungen werden im Labor getestet. Aber schon in einigen Jahren könnten erste Tests im Weltraum stattfinden.

Deshalb hoffen Weltraumorganisationen und kommerzielle Anbieter auf die neuen Antriebe. Auf deren Programm stehen vor allem Hochgeschwindigkeits-Telekommunikation, das Sammeln von Wetterdaten und die Erdbeobachtung. Ein mittelgroßer Satellit von 500 Kilogramm Gewicht mit rund 3 Kilowatt elektrischer Leistung aus Solarpanelen müsste dann in einer Flughöhe von rund 200 Kilometern nur die Hälfte dieser Leistung für den Antrieb aufwenden.

Neue Möglichkeiten auf dem Mars

Sogar auf dem Mars könnte das funktionieren und wegen der dünnen Kohlendioxid-Atmosphäre des Roten Planeten sehr tiefe Flughöhen zugänglich machen. Das wiederum würde neue Perspektiven für die Planetenforschung eröffnen: zum Beispiel durch hochauflösende Bilder, Gravimetrie oder Magnetfelduntersuchungen. Der Fantasie sind kaum Grenzen gesetzt.

Doch zumindest auf der Erde werden tieffliegende Satelliten auch mit einem luftatmenden Triebwerk keine jahrzehntelange Lebensdauer erreichen können. Denn in dieser geringen Höhe befindet sich viel atomarer Sauerstoff. Er entsteht durch die intensive UV-Strahlung der Sonne, die den molekularen Sauerstoff der Luft in seine Bestandteile aufspaltet. Atomarer Sauerstoff ist sehr reaktiv und kann im Lauf der Jahre alle möglichen Oberflächen zersetzen. „Er ist der wichtigste begrenzende Faktor, wenn es um die Langlebigkeit von Satellitenmissionen im sehr tiefen Erdorbit geht“, sagt Smirnova. „Der hochreaktive atomare Sauerstoff kann die gesamte Instrumentierung beschädigen.“ Ein wesentlicher Teil der Entwicklungsarbeit an solchen Satelliten besteht deshalb darin, möglichst robuste und korrosionsbeständige Materialien zu entwickeln und zu testen.

Sogar am Ende der Einsatzzeit bringen tieffliegende Satelliten einen wichtigen Vorteil mit sich: Das schnelle und sichere Entfernen aus der Umlaufbahn, das sogenannte Deorbiting, geschieht einfach dadurch, dass man das Triebwerk abschaltet. Nach kurzer Zeit verschwindet das Fluggerät vom Radarschirm und versinkt in der Atmosphäre, ohne Weltraumschrott zu hinterlassen.

Ionenantrieb für den Tiefflug

Allerdings: Bei höher fliegenden Satelliten im LEO ergibt die neue Technik des luftatmenden Antriebs keinen Sinn, weil dort die Atmosphäre schon so dünn ist, dass sich das Einsammeln von Luft nicht lohnt. Deshalb kommen bei vielen dieser Flugkörper Ionentriebwerke zum Einsatz. Sie verbrauchen wesentlich weniger Kraftstoff als chemische Triebwerke. Auch hier zeichnet sich eine Neuerung ab, die vielleicht schon in einigen Jahren zum Standard werden könnte. Bislang ist das Edelgas Xenon das Mittel der Wahl für ein Ionentriebwerk, weil es sich gut ionisieren und beschleunigen lässt. Doch Xenon ist sehr teuer und muss aufwendig in Hochdrucktanks aufbewahrt werden. Das bringt vor allem bei kleinen Satelliten anteilig hohe Kosten mit sich.

Eine Alternative könnte Jod sein. Es ist deutlich billiger als Xenon und hat eine höhere Dichte. Außerdem lässt sich das Halogen einfach im festen Zustand speichern und bereits durch eine geringe Energiezufuhr direkt in den gasförmigen Zustand überführen. Das ist zwar schon seit Jahrzehnten bekannt. Dennoch hat es sich als schwierig herausgestellt, ein funktionierendes Jod-Ionentriebwerk zu bauen. Nun ist ein Durchbruch gelungen: Das französische Raumfahrt-Startup-Unternehmen ThrustMe hat ein auf Jod basierendes Ionentriebwerk entwickelt und bereits auf einem 20 Kilogramm schweren chinesischen Minisatelliten im All getestet. Die Ergebnisse machen Hoffnung: Die Telemetriedaten bestätigen die erwartete Leistungsfähigkeit.

Dieses Triebwerk ist sehr kompakt: Es hat die Dimension eines Würfels mit rund zehn Zentimetern Kantenlänge. Da die meisten der Zehntausenden Satelliten, die in den nächsten Jahren die niedrigen Erdumlaufbahnen füllen sollen, auf Ionen-Antriebe angewiesen sein werden, dürfte sich bald ein Wettrennen der Triebwerkanbieter entwickeln.

Aber man muss Satelliten überhaupt erst einmal ins All bringen. Und auch bei der Raketentechnik gilt das eherne Prinzip der Raumfahrt: Jedes eingesparte Kilogramm Gewicht spart viel Geld und erhöht die Nutzlast. Da kommt eine ebenfalls seit Jahrzehnten bekannte Idee ins Spiel, die sich erst jetzt dank neuartiger Materialien umsetzen lässt: das sogenannte Aerospike-Triebwerk. Sein Aufbau: Im Zentrum des heißen Gasstrahls einer Rakete sitzt ein „Stachel“, mit dem sich der Gasstrahl optimieren lässt.

Ein Stachel hilft Sprit sparen

„Aerospike-Düsen zählen zu den höhenadaptiven Düsen, ihre Umströmung passt sich also der Flughöhe und damit dem vorherrschenden Außendruck an“, erklärt Ralf Stark vom Institut für Raumfahrtantriebe des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Herkömmliche Raketentriebwerke besitzen eine zylindrische Brennkammer, an die sich eine glockenförmige Düse anschließt. Bei einer Aerospike-Düse hingegen sitzt ein zentraler Stachel in der Mitte des Triebwerks. Um ihn herum strömt das heiße Gas nach außen. Das Prinzip dahinter sieht so aus: Der Außendruck quetscht das heiße Gas um den Zentralkörper zusammen. Steigt die Rakete auf und nimmt der Außendruck ab, weitet sich der heiße Strahl auf. Bei einem konventionellen Triebwerk ist das ein unvermeidbares Manko, das zu einem Verlust an Effizienz führt. Dagegen lässt sich bei einem Aerospike-Triebwerk durch geschickte Wahl der Stachelform und der Ausstoßmenge die Aufweitung des Strahls über die gesamte Flugstrecke so optimieren, dass der Antrieb im Schnitt rund zehn Prozent mehr Schub liefert als ein herkömmliches Raketentriebwerk. Im selben Maß vergrößert sich die beförderbare Nutzlast.

„Doch damit wird auch die zu kühlende Brennkammeroberfläche größer“, sagt Stark. Vor allem im entscheidenden unteren Teil des Stachels ist das problematisch. Allerdings. Bei einem Heißlauftest an ihrem Prüfstand im baden-württembergischen Lampoldshausen haben die Experten vom DLR nun ein neuartiges Aerospike-Triebwerk des spanischen Unternehmens Pangea Aerospace getestet. Ein interessantes Konzept dieses Triebwerks ist es, die heißen Komponenten nicht nur mit dem Brennstoff, sondern auch mit dem Oxidator zu kühlen. Die Resultate der Versuche am DLR waren vielversprechend.

Ideale Technik für Landemissionen

Allerdings: Für einen Einsatz in Schwerlastraketen werden die Aerospike-Triebwerke wohl nicht so schnell bereitstehen – dafür ist die Hitzebelastung zu groß. „Für Landemissionen auf fremden Himmelskörpern wie Mond oder Mars dagegen sind sie sehr interessant“, meint Stark. Typische Nutzlasten für Satelliten, die sich mit einem solchen Triebwerk in einen niedrigen Orbit hieven lassen, könnten bei rund einer Tonne liegen.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…