Geht ab wie eine Rakete: Unkonventionelle Raumfahrtantriebe

Geht ab wie eine Rakete:
Unkonventionelle Raumfahrtantriebe
Die Raumfahrtantriebe der Zukunft
könnten auf verschiedenen Konzepten
basieren, die sich in Entwicklungsstadien von "fast einsatzreif" bis hin zu
"technisch zur Zeit nicht verwirklichbar" befinden. Je nach Konstruktionsprinzip werden durch Lichtbögen heiße
"Plasmastrahlen" erzeugt, es wird
Materie mit Antimaterie zerstrahlt oder
es wird einfach der Lichtdruck durch
das von der Sonne ausgestrahlte Licht
als Antrieb verwendet. Ziel ist es, die
Menge des zur Beschleunigung
benötigten Treibstoffs zu minimieren,
damit das Raumschiff möglichst leicht
und effektiv werden kann. Einige
vielversprechende Konzepte werden
am Institut für Raumfahrtsysteme (IRS)
der Universität Stuttgart experimentell
und theoretisch untersucht.
Elektrische Lichtbogentriebwerke
In Raketentriebwerken wird ein Gas erhitzt und erzeugt bei der Entspannung in
einer Düse Schub. In chemischen Triebwerken wird eine Verbrennung als Energielieferant benutzt. Hierdurch wird die
Energie, die pro Maseneinheit des Treibstoffs genutzt werden kann, durch die Reaktionsenthalpie begrenzt. Typische Austrittsgeschwindigkeiten bei chemischen
Raketenantrieben liegen bei weniger als
5 km/s. Im Gegensatz hierzu wird das
Gas in Lichtbogentriebwerken durch elektrische Energie geheizt. Dadurch kann
mehr Energie eingekoppelt werden und
eine höhere Austrittsgeschwindigkeit des
Treibstoffs erreicht werden. Das gleiche
Antriebsvermögen kann mit weniger
Treibstoff erreicht werden. Darüber hinaus müssen keine reagierenden Gase
benutzt werden, es können sogar Edelgase verwendet werden. Im Gegensatz zu
chemischen Antrieben, die sehr große
Schübe (ca 7.600.000 N bei der Saturn
V) erzeugen, liegen die Schübe bei elektrischen Triebwerken deutlich niedriger.
RZ_Antriebe_1_2.PDF
Zylindrisches MPD-Triebwerk im Betrieb mit Argon
Thermisches Lichtbogentriebwerk ARTUS
im Betrieb mit Wasserstoff
Russisches ZNAMYA Experiment zur künstlichen Beleuchtung der Erdoberfläche
Sonnensegelstudie des
DLR für eine Asteroidenmission
Thermische Lichtbogentriebwerke (TLT)
Diese Anriebe erzeugen den Schub nur
aufgrund der thermischen Entspannung
der heißen Gase in der Düse. Typische
Treibstoffe sind Wasserstoff, Stickstoff,
aber auch Hydrazin oder Ammoniak.
Elektrische Leistungen von ca. 500W bis
hin zu 100 kW sind möglich. Dabei werden bei Austrittsgeschwindigkeiten von
bis zu 20 km/s Schübe von 100 mN bis
zu 6 N erreicht.
HIPARC im Betrieb mit Wasserstoff bei
100 kW elektrischer Leistung und als Schnittmodell
MPD-Triebwerk HAT im Betrieb mit Argon
bei einer elektrischen Leistug von etwa 350
kW und einem Strom von etwa 5000 A und
Funktionsprinzip von MPD-Triebwerken
Modell eines Antimaterietriebwerks, Düsenlänge 10 m
Magnetoplasmadynamische
Triebwerke (MPD)
MPD-Triebwerke erzeugen zusätzlich
zum thermischen Schub noch einen magnetischen Schubanteil. Dieser magnetische Schub resultiert aus einer Interaktion der bewegten, geladenen Teilchen mit
dem magnetischen Feld, das entweder
durch den Lichtbogenstrom selbst induziert (Eigenfeld-MPD), oder von außen
aufgeprägt werden kann (FremdfeldMPD). Da dieser Schubanteil bei Eigenfeld-MPDs proportional zum Quadrat des
benutzten Stroms ist, benötigen diese
Triebwerke verhältnismäßig hohe elektrische Leistungen bis in den Megawatt-Bereich. Schübe von 28 N wurden bereits
erreicht
Hochschule:
Universität Stuttgart
Institut:
Institut für Raumfahrtsysteme (IRS)
Unter Leitung von:
Prof. Dr. rer. nat. Hans-Peter-Röser
Kontakt:
www.irs.uni-stuttgart.de
Arbeitsgruppe Elektrische Raumfahrtantriebe und Plasmatechnologie:
Prof. Dr.-Ing. habil. Monika Auweter-Kurtz