Satellitenkonstellationen: Iod statt Xenon ist eine kleine Raumfahrtrevolution

Ionentriebwerke mit Iod sollen keine Leistungsrekorde aufstellen, sondern eine einfache und günstige Lösung für Satellitenkonstellationen wie Starlink sein.

Artikel von Frank Wunderlich-Pfeiffer veröffentlicht am 21. November 2021, 9:00 Uhr

Ein Prototyp des Ionentriebwerks von Thrustme beim Betrieb in der Vakuumkammer (Bild: Thrustme)

Seit die ersten kleinen Cubesats gebaut wurden, gab es ein Problem: den Antrieb. Konventionelle Raketentriebwerke sind zu groß für Satelliten, die ursprünglich nur aus Würfeln mit 10 Zentimeter Kantenlänge bestanden. Die französische Firma Thrustme hat das mit ihren NPT30-I2 Ionentriebwerken geändert, die das gesamte Antriebssystem mit Treibstofftank in so einen Würfel integrieren. Es ist das erste Ionentriebwerk, das festes Iod statt Xenon- oder Kryptongas als Treibstoff benutzt und als Prototyp im Erdorbit demonstrierte wurde.

Dank des festen Treibstoffs, der für den Betrieb des Triebwerks erhitzt und verdampft wird, kann das NPT30-I2 wesentlich kompakter als herkömmliche Ionentriebwerke gebaut werden. Verglichen mit den seltenen Edelgasen ist Iod auch wesentlich billiger und soll laut Thrustme nur ein Zwanzigstel kosten, das ganze Treibstoffsystem sogar nur ein Hundertstel, weil es auf teure und anfällige Komponenten wie Ventile verzichten kann.

Der Antrieb wiegt in der kleinsten Form 1,2 kg und enthält etwa 200 Gramm Treibstoff, der vom Triebwerk auf 25 km/s beschleunigt wird. Der Schub beträgt 1,3 mN bei 65 Watt Stromverbrauch. Das reicht nicht für sehr große Bahnmanöver aus. Aber in einem 20-kg-Satelliten reicht es für ein Delta v von 250 m/s, genug, um Luftreibung auszugleichen und Ausweichmanöver bei nahen Begegnungen mit anderen Satelliten und Weltraumschrott zu fliegen. Ein rund doppelt so großer Tank ist verfügbar und macht das System 500 g schwerer und 50 Prozent größer.

Clevere Konstruktion kommt ohne Ventile aus

Es ist nicht das erste Ionentriebwerk für den Betrieb mit Iod, aber bislang das einzige, das im Weltall geflogen ist. Anders als die chemisch inaktiven Edelgase ist Iod aber korrosiv und kann empfindliche Metalloberflächen wie etwa bei Ventilen leicht beschädigen. Thrustme hat dafür eine elegante Lösung gefunden. Der Treibstoff muss zum Betrieb ohnehin aufgeheizt werden, um das Iod zu verdampfen, größtenteils durch die Abwärme des Triebwerks selbst. Der Treibstoff gelangt dabei durch dünne Kapillarröheren vom Tank in das Triebwerk.

Nach Abschalten des Triebwerks kühlt der Tank aus, das Iod wird wieder fest und verschließt dabei die Kapillaren ganz ohne Ventil. Die Lösung ist nicht perfekt, aber die Verluste halten sich in Grenzen. Bei Tests am Boden gingen bei jeder Triebwerksaktivierung etwa 0,012 g Treibstoff verloren. Die Verluste ohne Betrieb des Triebwerks sollen weniger als 2,5 g pro Jahr betragen.

Ein anderes Problem bestand darin, den Treibstoff zuverlässig und gleichmäßig unter Weltallbedingungen aufzuheizen. Durch die heftigen Vibrationen beim Start könnte reines Iod zerbröckeln und in Schwerelosigkeit im Tank schweben. Iod, das keine Wand des Tanks berührt, wäre aber viel schwerer aufzuheizen. Deshalb wird eine Art fester Schwamm aus Aluminiumoxid mit 95 Prozent Porenvolumen genutzt, um beim Betanken flüssiges Iod aufzunehmen. Leider geht dadurch der Vorteil des festen Treibstoffs verloren, durch den geringen Druck nur dünne und leichte Tankwände zu benötigen. Stattdessen macht das Iod nur etwa die Hälfte der Masse des gefüllten Tanks aus, in einem vergleichbaren Xenontank wären es zwei Drittel.