Portal Space Systems: Mit hohem Delta-V die Mobilität in der Umlaufbahn verbessern
Das Start-up Portal Space Systems will seine Raumfahrzeuge mit einem solarthermischen Antrieb ausstatten(öffnet im neuen Fenster) . Diese nutzen die Sonnenenergie zur Erwärmung des Treibstoffs und zur Erzeugung von Schubkraft. Damit will das Unternehmen eine Alternative zu üblichen Antriebsformen im All bieten und sich vor allem auf die Mobilität in der Umlaufbahn konzentrieren.
Im Weltraum sind die derzeitigen Möglichkeiten der Manövrierfähigkeit in der Umlaufbahn begrenzt. Es gibt konventionelle, raketengetriebene Triebwerke, die eine außerordentliche Menge an Treibstoff benötigen, um sich zu bewegen. Es gibt Ionentriebwerke, die wesentlich treibstoffsparender sind, aber keine schnellen Änderungen vornehmen können.
"Zu viele kommerzielle und militärische Kunden kämpfen damit, wie sie das wenige Delta-V, das ihnen zur Verfügung steht, ausnutzen können, bevor die Lebensdauer ihrer Anlage endet" , erklärt laut einem Bericht auf Ars Technica(öffnet im neuen Fenster) der Unternehmensgründer Jeff Thornburg. Er arbeitete bereits beim Militär, der amerikanischen Raumfahrtbehörde Nasa und bei verschiedenen Raumfahrtunternehmen wie etwa bei SpaceX als Vizepräsident für Antriebstechnik und leitender Konstrukteur des Raptor-Raketentriebwerks.
Delta-V, die Währung zur Fortbewegung im Sonnensystem
Mit Delta-V wird in der Raumfahrtindustrie die Möglichkeit zur Geschwindigkeitsänderung eines Raumfahrzeugs in eine bestimmte Richtung bezeichnet, sie ist die Grundlage für alle orbitalen Manöver. Um etwa von der Oberfläche unseres Planeten in eine erdnahe Umlaufbahn (LEO – low earth orbit) zu gelangen, ist ein Delta V von fast 10 km/s nötig, wenn alle Verluste beim Start und Flug durch die Atmosphäre mit einberechnet werden. Um von dort auf die Oberfläche des Mondes zu gelangen, werden nochmals rund 6 km/s an Delta-V benötigt.
Die meisten Satelliten starten mit 500 m/s oder weniger an verfügbarem Delta-V. Dies ermöglicht ihnen eine Feinabstimmung ihrer Umlaufbahn und eine gewisse Grundmanövrierfähigkeit, um Zusammenstöße mit anderen Satelliten oder Trümmern zu vermeiden. Dies reicht jedoch nicht aus, um ihre Umlaufbahn grundlegend zu verändern. Das will Portal Space Systems mit einem solarthermischen Triebwerk ändern.
Physikalisch ist das System vergleichbar mit einem Nukleartriebwerk, das einen Kernreaktor benutzt, um ein leichtes Gas wie Wasserstoff auf möglichst hohe Temperaturen zu erhitzen. Anders als bei einem Kernreaktor ist die Energiequelle jedoch ein Spiegel, der Sonnenlicht sammelt und damit das Gas erhitzt, bevor es durch eine Düse mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen wird.
Höhere Temperaturen ohne Kernreaktor
Anders als bei einem Kernreaktor können dabei durch die viel größere Auswahl an möglichen Materialien deutlich höhere Temperaturen erreicht werden. Bei Temperaturen von 2.800 Grad Celsius können bis zu 80 Prozent der Wasserstoffmoleküle in einzelne Atome aufgelöst werden, was den Schub im Vergleich zu molekularem Gas bei der gleichen Temperatur und gleichen Treibstoffverbrauch um rund 30 Prozent erhöht. Dann könnte das Triebwerk mit Ausströmgeschwindigkeiten über 15 km/s ähnlich effizient wie ein Ionentriebwerk arbeiten.
Leider macht Portal Space Systems keine Angaben zum verwendeten Treibstoff. Dabei könnte es sich prinzipiell auch um wasserstoffhaltige Verbindungen wie Wasser, Ammoniak oder Hydrazin handeln. Der erreichbare Schub hängt von der Sammelfläche des Spiegels ab und der Effizienz, mit der das Sonnenlicht zum Heizen des Treibstoffs genutzt wird.
Ein runder Spiegel mit 100 Meter Durchmesser könnte Sonnenlicht mit einer Leistung von rund 100 Megawatt sammeln. Spiegel mit realistischerer Größe wohl nur einige Megawatt. Nukleare Raketentriebwerke mit mehr als einem Gigawatt Leistung wurden bereits am Boden demonstriert.
Das größte Hindernis bei der Umsetzung dürfte die Entwicklung einer stabilen Konstruktion der Spiegel sein, die auch die Beschleunigungskräfte des Triebwerks aushalten und die Tatsache, dass zunächst nicht mehr als 3 Millionen US-Dollar zur Entwicklung verfügbar sind.
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