Elektromagnetisches Triebwerk der nächsten Generation für Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn
Der globale Markt für Kleinsatelliten in niedriger Erdumlaufbahn wächst rasant. Die Satelliten werden zunehmend in Konstellationen eingesetzt. Zwischen 2011 und 2020 wurden weltweit etwa 3 000 Kleinsatelliten gestartet. Im Jahr 2022 allein waren es 2 304 weitere, das ist ein Anstieg von 30 % im Vergleich zum Vorjahr. Innovationen der Antriebstechnologie werden unerlässlich sein, um die Unabhängigkeit und Wettbewerbsfähigkeit Europas in diesem sozioökonomisch wichtigen Sektor auszubauen. Bisher wurde zwar meist der chemische Antrieb für Kleinsatelliten eingesetzt, doch elektrische Antriebstechnologien werden immer beliebter und erhalten zunehmend Aufmerksamkeit. Mit den elektrischen Antriebssystemen der nächsten Generation sollen hauptsächlich die Kosten und die Komplexität gesenkt und die Einsatzdauer erhöht werden. Im EU-finanzierten Projekt HEMPT-NG2 werden beide Ziele mit einem fortschrittlichen elektromagnetischen Triebwerk angegangen. Mit den erheblichen Vorteilen im Vergleich zu den aktuell verfügbaren elektrostatischen Antriebssystemen – deutlich weniger Treibstoffverbrauch, längere Lebensdauer und minimale Komplexität – könnte die Wettbewerbsfähigkeit Europas auf dem Markt für Kleinsatelliten gestärkt werden.
Einen hochmodernen Plasmaantrieb weiterentwickeln
Der hocheffiziente mehrstufige Plasmaantrieb aus dem Projekt ist so konzipiert, dass ein Satellit durch die Ionisierung und Beschleunigung des Treibstoffs über die kombinierte Wirkung elektrischer und magnetischer Felder bewegt wird. So können Satelliten ihre Position in der Umlaufbahn korrigieren (Station-Keeping) oder die Umlaufbahn ändern (Bahnmanöver). Bei HEMPT-NG2 ging es darum, die technologische Reife des Plasmaantriebs auszubauen, der über das Projekt HEMPT-NG entwickelt wurde. Die Forschenden verfolgten dafür eine kombinierte Simulations- und Versuchskampagne. Ergänzend wurden gezielte Testwerkzeuge für die Montage, Integration und Tests gestaltet.
Höhere Effizienz und Lebensdauer bei geringeren Kosten
Das Herzstück der hocheffizienten Ionen-Antriebstechnologie sind die Permanentmagnete zur Plasmaeinschließung. Der Projektkoordinator Peter Holtmann von Thales (Deutschland) berichtet: „Mit den magnetischen Zellen, die in einer zugespitzten Spiegelkonfiguration angeordnet sind, können Plasmaelektronen wirksam eingeschlossen werden. So können die Elektronen nicht mit den Wänden des Entladungskanals in Kontakt kommen, sodass weniger Erosion auftritt und die Lebenszeit und Betriebsstabilität des Antriebs verlängert wird.“ Außerdem kann mit dem wirksamen Elektroneneinschluss eine hohe Ionisierungseffizienz mit nur vernachlässigbaren Elektronenverlusten (Stromverlust) erreicht werden. Der geringe Startelektronenstrom der Kathode wird durch eine „Ionisierungswelle“ verstärkt, sodass das Plasma bei minimaler Energiezufuhr stabil bleibt. Mit den höheren Beschleunigungsspannungen des Antriebs sind höhere spezifische Impulse möglich (ein Indikator, wie effizient die Energie des Treibstoffs in Antrieb umgewandelt wird), sodass der Treibstoffverbrauch und somit auch die Menge an Treibstoff an Bord deutlich geringer sind. „Mit dem flexiblen hocheffizienten mehrstufigen Plasmaantrieb können verschiedene Aufgaben im Weltraum mit einem Antrieb gestützt werden. Außerdem kann er mit herkömmlichem Xenon und auch deutlich günstigerem Krypton angetrieben werden“, ergänzt Holtmann.
Die Markteinführung von Satellitenkonstellationen in niedriger Erdumlaufbahn vorbereiten
Insgesamt ist aus den Fortschritten von HEMPT-NG2 ein solides Design mit hoher Effizienz und insgesamt geringeren Kosten für das elektrische Antriebssystem hervorgegangen. Das universelle Antriebsmodul wurde für die Massenproduktion optimiert. Außerdem wurde eine Marktanalyse durchgeführt, um die Kommerzialisierung des hocheffizienten Plasmaantriebs vorzubereiten und die Wettbewerbsfähigkeit Europas im Bereich Kleinsatelliten zu stärken.
Schlüsselbegriffe
HEMPT-NG2, Triebwerk, Plasma, Antrieb, Plasmaantrieb, Treibstoff, elektrischer Antrieb, Kleinsatelliten, niedrige Erdumlaufbahn, Station-Keeping
