Nasa: Neue Ionentriebwerke für den Flug zum Mars

Die Nasa finanziert die Entwicklung leistungsstarker Ionentriebwerke mit 67 Millionen US Dollar. Mit den Hall-Effekt-Triebwerken sollen Raumschiffe zum Mars fliegen und Asteroiden umgeleitet werden.

Artikel veröffentlicht am 27. April 2016, 11:22 Uhr, Frank Wunderlich-Pfeiffer

Ein Hall-Effekt-Triebwerk auf dem Teststand (Bild: Nasa)

Für die geplanten Missionen zum Mars und zu Asteroiden im Sonnensystem sucht die Nasa nach effizienteren Triebwerken. Jetzt hat sie Aerojet Rocketdyne einen Auftrag über 67 Millionen US Dollar zur Entwicklung des bisher leistungsfähigsten Ionentriebwerks erteilt. Mit 50 Kilowatt soll es etwa das Zehnfache der Leistung der bisher größten Ionentriebwerke haben.

Ionentriebwerke beschleunigen geladene Gasteilchen durch elektrische Felder. Auf diese Weise kann der Treibstoff auf höhere Geschwindigkeiten beschleunigt werden als in chemischen Triebwerken. Je höher diese Geschwindigkeit, desto kleiner ist der Treibstoffverbrauch des Triebwerks bei gleichem Schub.

Allerdings ist der Schub eines elektrischen Triebwerks abhängig von der elektrischen Leistung, die zur Verfügung steht. Und der Stromverbrauch ist um so größer, je stärker der Treibstoff beschleunigt wird. Ein 50-Kilowatt-Triebwerk kann im Idealfall einen Schub von einem Newton bei einer Austrittsgeschwindigkeit von 50 Kilometern pro Sekunde erzeugen, so viel Kraft wie etwa 100 Gramm auf der Erdoberfläche. Es würde damit einen ganzen Tag für die gleiche Geschwindigkeitsänderung brauchen, die ein herkömmliches RL-10-Triebwerk in einer Sekunde schafft, verbraucht dabei aber nur ein Zehntel der Treibstoffmenge.

Das gleiche Triebwerk kann mit der gleichen Leistung auch einen höheren Schub erzeugen, muss dafür aber mit einer geringeren Austrittsgeschwindigkeit betrieben werden, es verbraucht dann mehr Treibstoff.

Hall-Effekt-Triebwerke brauchen keine Gitter

Im Resultat kann die Nasa mit der gleichen Rakete eine viel größere Nutzlast an ihr Ziel bringen, anstatt nur Treibstoff zu transportieren. Es wird auch unentbehrlich sein für den Plan, einen Asteroiden im Sonnensystem einzufangen und umzulenken. Die Entwicklerfirma, Aerojet Rocketdyne, ist einer der größten Hersteller von Raketentriebwerken in den USA. Sie flog schon im vergangenen Jahr eine 5-Kilowatt-Variante eines Hall-Effekt-Ionentriebwerks für das US-Militär an Bord eines X-37B-Minishuttles. Mit dem kleineren Triebwerk sollen künftige US-Militärsatelliten ausgestattet werden.

Anders als klassische Ionentriebwerke kommen Hall-Effekt-Triebwerke ohne Gitter aus. Das erhöht ihre Lebensdauer deutlich, denn einige der beschleunigten Ionen in herkömmlichen Ionentriebwerken kollidieren im Betrieb mit dem Gitter und zerstören es dabei im Laufe der Zeit.

Hall-Effekt-Triebwerke verwenden anstatt des Gitters ein Magnetfeld. Ein ionisiertes Gas aus Ionen und Elektronen wird durch ein Magnetfeld geleitet. Die Lorentzkraft des Magnetfelds zwingt die leichteren Elektronen am Ausgang des Triebwerks auf eine Spiralflugbahn, während die über 10.000-mal so schweren Ionen davon kaum beeinflusst werden. Die Elektronen sammeln sich dadurch am Ausgang des Triebwerks und bauen so auch ohne ein Metallgitter ein elektrisches Feld auf, durch das die Ionen beschleunigt werden können.

Das neue Triebwerk wird eine geringere Leistung als das 200-Kilowatt-Vasimr-Triebwerk haben. Anders als das experimentelle Plasmatriebwerk sind Hall-Effekt-Triebwerke deutlich weniger komplex im Aufbau und bereits seit Jahrzehnten im Einsatz. Um die gleiche Leistung zu erreichen, können aber auch mehrere Triebwerke zum Einsatz kommen.