Sonnensegeln für SSA-Anwendungen
Bei Raumfahrtantrieben geht es um mehr als nur Raketentriebwerke. Eine Alternative liegt im Sonnensegeln, was u. a. bei Raumfahrtmissionen wie der IKAROS-Mission der JAXA, der NanoSail-D2-Mission der NASA und der LightSail-1-Mission der Planetary Society erfolgreich unter Beweis gestellt wurde. Sein unglaubliches Potenzial lässt sich am besten in einer einzigen Zahl zusammenfassen: bis zu 1/5 der Lichtgeschwindigkeit – das ist die Geschwindigkeit, die theoretisch mit dieser Antriebstechnik erreicht werden kann. „Aufgrund seiner ‚treibstofflosen‘ Natur ist das Sonnensegeln ein Durchbruch im Bereich der Raumfahrtantriebe, da es langlebige und hochenergetische Missionskonzepte ermöglicht. Vorgeschlagen wurden unter anderem Missionen über die Pole der Sonne im Bereich der Heliophysik, das Schweben entlang der Sonne-Erde-Linie im Bereich der Weltraumwetter-Vorhersagen und das Abstellen des Segels über der Erdumlaufbahn im Bereich der Navigation und Kommunikation in hohen geografischen Breiten“, erklärt Dr. Jeannette Heiligers, wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Technischen Universität Delft und Koordinatorin des S4ILS-Projekts. Eines haben diese Ideen jedoch alle gemeinsam: ihre Definition innerhalb des Sonne-Erde-Systems. Laut Dr. Heiligers ist es so, als ob die Forschungsgemeinde die Möglichkeit übersehen hätte, die Sonnensegel-Technologie in viel kürzerer Distanz zu nutzen, und zwar innerhalb des Erde-Mond-Systems. „In diesem Zusammenhang bestand mein Beitrag für das S4ILS-Projekt darin, das Potenzial des Sonnensegelns im Erde-Mond-System mit besonderem Fokus auf Anwendungen im Bereich der Weltraumlageerfassung (Space Situational Awareness, SSA) zu erforschen. Es gibt eine wichtige Lücke, die es zu schließen gilt, wie durch die Störungen der GPS-Signale und der Satellitenkommunikation aufgrund von Sonnenstürmen, die Iridium/Kosmos-Satellitenkollision von 2009 oder den Asteroid, der 2013 in die Erdatmosphäre über Russland eindrang, deutlich wurde“, erklärt sie. Dr. Heiligers und ihre Mitarbeiter führten eine gründliche und systematische Untersuchung, Berechnung und Katalogisierung der periodischen Umlaufbahnen von Sonnensegeln im gesamten nichtlinearen Erde-Mond-System durch. Sie bewerteten diese Umlaufbahnen für die Anwendung von SSA und untersuchten die Leistung verschiedener Sonnensegelkonfigurationen für die Bahnregelung – von dem traditionellen flachen, oft quadratischen Sonnensegel oder dem sogenannten Heliogyro aus – einer Sonnensegelkonfiguration, die die Segelfläche in eine bestimmte Anzahl langer, dünner Flügel aufteilt, die von einem zentralen Knotenpunkt aus eingesetzt und durch Drehung induzierte Spannung abgeflacht werden. Die Forschung von S4ILS kann in verschiedenen Bereichen Anwendung finden. Ein Beispiel wäre die Entwicklung einer neuartigen Sonnensegelkonstellation rund um die Erde, die eine nahezu kontinuierliche Abdeckung der gesamten Arktis oder des Südpolargebiets mit nur zwei Satelliten bieten könnte. Dies wäre wiederum hilfreich dabei, Studien über den globalen Klimawandel sowie über Überwachungs- und Prognosefähigkeiten für das Weltraumwetter auf den Weg zu bringen. Neben SSA-fokussierter Forschung ermöglichte das Projekt auch die Zusammenarbeit zwischen Dr. Heiligers und dem Langley Research Center der NASA. Der NASA gelang es tatsächlich eine neue Sonnensegel-Technologie für den Einsatz in kleinen Satellitenplattformen (CubeSat) zu entwickeln, und Dr. Heiligers hat die Möglichkeit untersucht, diese Technologie zur Überwachung des Asteroiden 2016 HO3 zu verwenden. „Es stellte sich nicht nur heraus, dass das Sonnensegeln das Raumfahrzeug schneller zu dem Asteroiden bringen konnte als herkömmliche, treibstoffverbrauchende Formen von Niedrigschubantrieben (mit einem Ionentriebwerk), sondern auch, dass der erforderliche Treibstoffverbrauch des Ionentriebwerks die erwartete Treibstoffkapazität an Bord des CubeSat übertraf. Dies ist ein klarer Beweis dafür, dass das Sonnensegeln eine Mission ermöglichen kann, die mit herkömmlichen Antriebsformen nicht möglich ist“, schließt Dr. Heiligers.
Schlüsselbegriffe
S4ILS, CubeSat, Sonnensegeln, Erde-Mond-System, Asteroid, Antrieb
