Neuartiges Plasma-Jetpack erhöht die Beweglichkeit winziger Weltraumsatelliten
Winzige Satelliten, sogenannte Nanosatelliten, sind in der Regel nur wenige Dezimeter lang und wiegen jeweils weniger als 50 kg. Sie werden derzeit für mehrere unterschiedliche Zwecken eingesetzt, darunter Telekommunikation, Erdbeobachtung, Navigation und Ortung und sogar für die interplanetare Erkundung. Sie sind oft in Konstellationen angeordnet und erweitern die Möglichkeiten der Weltrauminfrastruktur. Luc Herrero von Comat erklärt: „Nanosatelliten haben den Zugang zum Weltraum demokratisiert und ermöglichen es einem breiteren Spektrum Beteiligter, von Start-ups bis hin zu Bildungseinrichtungen, an der Weltraumforschung und Raumfahrtaktivitäten teilzunehmen“. Die Komplexität ihres Antriebs und Betriebs sowohl am Boden als auch in der Umlaufbahn stellt jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar, die Effizienz, Kostenwirksamkeit und Sicherheit beeinträchtigt. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts PJP, das von Herrero koordiniert wurde, wurde der elektrische Antrieb als Lösung für die derzeitigen Verfahren untersucht, bei denen Nanosatelliten mit speziellen Raketen gestartet werden müssen. Mithilfe eigens dafür entwickelter Methoden und Sonden wurden eine Lösung mit gepulstem Plasma erfolgreich charakterisiert und Simulationswerkzeuge zur Untersuchung der zugrunde liegenden Physik erarbeitet sowie zu einem modularisierten Demonstrator weiterentwickelt, der auf früheren Versionen aufbaut.
Elektrischer Antrieb
Die elektrische Antriebstechnologie von PJP beruht auf der Physik des Vakuumbogens. Hier werden aus einem metallischen Festtreibstoff Ionen mit hoher Geschwindigkeit erzeugt, wenn in einem Vakuum zwischen zwei Elektroden – der Kathode (Festtreibstoff) und der Anode (passive Elektrode) – eine elektrische Entladung ausgelöst wird. Die Energie der Elektronen wird durch den Abkühlungsprozess auf die Ionen übertragen, die ein starkes elektrisches Feld erzeugen. Die PJP-Lösung stößt ein quasi-neutrales Plasma mit sehr hohen Geschwindigkeiten von bis zu 50 km pro Sekunde aus und erzeugt so Schub. „Unsere Vorrichtung kann im Weltraum einen bedarfsgerechten Schub erzeugen, der den Impuls auf den Satelliten überträgt und ihn so manövrierfähig macht. Gleichzeitig wird der Treibstoff kompakt und sicher aufbewahrt, ohne die giftigen oder unter Druck stehenden Tanks und Ventile, die bei herkömmlichen elektrischen oder chemischen Versionen erforderlich sind“, kommentiert Herrero. Das Team charakterisierte über 30 verschiedene Geometrien von Bogenentladungskammern mithilfe interner Diagnosemethoden, die die Grundlage für die Entwicklung eines Simulationswerkzeugs bildeten, mit dem eine Vielzahl von Systemkonfigurationen geprüft werden konnte. „Unsere Verknüpfung von Plasmacharakterisierungsmethoden und Simulationswerkzeugen hat unser Verständnis der Vakuumbogenphysik vertieft und zu einer der innovativsten Technologien in diesem Bereich geführt“, so Herrero. Der modulare Aufbau gestattete die Schaffung von drei Bausteinen: Bogenentladungskammer, Plasmageneratoreinheit und Stromantriebsversorgungs- und Steuereinheit. Nach der Qualifizierung durch das Team wurden diese zu einem Plasma-Jetpack-Demonstrator mit 30 W kombiniert, der auch mit 80-W- und 150-W-Versionen kompatibel ist. Dieser Demonstrator baut auf früheren, einfacheren Versionen auf, die dem Projekt vorausgingen. „Wir stellten zwar fest, dass die meisten der von uns getesteten Parameter den Marktbedürfnissen entsprechen, aber es ist noch mehr Arbeit nötig, um Elektrodenerosion zu vermeiden und die Schubdauer zu erhöhen“, sagt Herrero. Der erste Flug des modularen PJP30-Konzepts ist für 2024 geplant, um seine Richtungsschubfähigkeit zu demonstrieren.
Eine Reihe von Anwendungsmöglichkeiten
Alternativen zu Treibstoffen auf chemischer Basis unterstützen die Nachhaltigkeitsbestrebungen der EU und stehen mit einer stärker lokal ausgerichteten Lieferkette auch im Einklang mit den Zielen der EU, ihre Autonomie zu stärken. Wahrscheinliche Anwendungen – wie Umweltüberwachung, verbesserte Kommunikationsnetze und sicherere Weltraumerkundung – werden auch der europäischen Wirtschaft zugute kommen, Arbeitsplätze schaffen und gleichzeitig die technologische Führungsrolle Europas stärken. Außerdem erschließt das Team derzeit einen neuen Baustein mit verbesserten Schubfähigkeiten für ein breiteres Spektrum von Missionen.
Schlüsselbegriffe
PJP, Nanosatelliten, Plasma, Physik, Jetpack, Schub, Treibstoff, Weltraum, Raumfahrt, elektrischer Antrieb
