Mit der Kraft einer Schokoladentafel: Mit Ionenantrieben auf große Raumfahrt

Die Weltraumfahrt – auch in unendliche Weiten – hat mit der irdischen Mobilität eine Gemeinsamkeit: Wenn Raumsonden oder Satelliten einmal in einer Umlaufbahn oder auf dem Weg nach „draußen“ sind, dann düsen sie vermehrt rein elektrisch in der weiten Raum. Zwar müssen die Raketen immer noch mit großem Krawumms vom Boden angelupft werden. Alles Weitere funktioniert besser elektrisch. Das spricht sich in dieser speziellen Mobilitätsbranche nun auch weiter herum. Seit der Flugzeug- und Raumfahrtkonzern Boeing eine Satellitenplattform rein elektrisch vorgestellt hat, ziehen immer weitere Konzerne nach.

Elektrisch Weltraumantriebe, sogenannte Ionentriebwerke, sind eigentlich recht schwach, dafür aber in der Ausdauer immens leistungsfähig. Der Physiker Kristof Holste nimmt gern zum Vergleich eine Tafel Schokolade in die Hand. Ein Viertel dieser 100-Gramm-Tafel – also die Menge weniger Schokostückchen – drückt durch die Schwerkraft genauso stark auf seine Hand wie ein großes Ionentriebwerk auf einen Satelliten ausüben würde. „Klar, mit einem Ionentriebwerk kann man niemals vom Erdboden aus starten“, erklärt Holste, der an der Universität Gießen Ionentriebwerke entwickelt. Doch wenn auch nur eine geringe Strahlkraft permanent und über Tausende Stunden den Satelliten durchs All schiebt, dann kommen hohe Geschwindigkeiten zustande – die nächstgelegenen Planeten wie Mars und Venus oder Merkur im Inneren des Sonnensystems oder die äußeren Planeten kommen so in Reichweite.

Vom Boden abhebend, verbrennen die klassischen chemischen Raketenantriebe große Treibstoffmassen bei Austrittsgeschwindigkeiten von rund vier Kilometern pro Sekunde – für wenige Minuten. Dann ist der Satellit aber auch schon hoch oben. Ein Ionentriebwerk hingegen düst seinen Treibstoff mit bis zu 60 Kilometern pro Sekunde aus, hauchzart, aber bei 50.000 Betriebsstunden.

Auf den Rückstoß kommt es im All an

So ein Ionentriebwerk erinnert ein bisschen an einen Fön zum Haaretrocknen. Aus dem Gerät kommt ein warmer Luftstrom raus. Beim Triebwerk sind dies Xenon-Ionen. Xenon ist ein Edelgas und wird in einer Gasflasche mit geführt. Nach dem Verfahren einer Mikrowelle trennen die Konstrukteure die Elektronen in einem Hochfrequenzfeld von einigen Megahertz ab. Das Xenon ist ionisiert, elektrisch positiv geladen und wird per Hochspannung auf ein negativ geladenes Gitter beschleunigt. Das Ganze tritt durch das Gitter und gerichtet aus dem Triebwerk aus. Die Technik fügt zur Neutralisation wieder Elektronen hinzu, und alles düst ins All. Den gleichen Impuls, den die Gesamtmenge des Gases in die eine Richtung erfährt, gewinnt das Raumfahrzeug in die andere Richtung. Das ist klassische Rückstoß-Mechanik à la Sir Isaac Newton aus dem 18. Jahrhundert.

Im 21. Jahrhundert hat mittlerweile mehr als jeder zweite Satellit einen Ionenantrieb an Bord. Auch die aktuell Richtung Merkur fliegende Sonde BepiColombo. Benannt ist das Raumfahrzeug nach dem Italiener Giuseppe „Bepi“ Colombo (1920 bis 1984), der den sogenannten Swing-by mitentwickelte: Raumsonden nutzen bei ihren Touren durch das Sonnensystem das Schwerfeld eines Planeten, um mal so richtig zu beschleunigen und sich in eine andere Richtung zu katapultieren. Bei der aktuellen Mission BepiColombo der europäischen und japanischen Raumfahrtbehörden ESA und Jaxa sind das gleich neun Swing-by Manöver, um an Erde und Venus vorbei zu beschleunigen und an Merkur abzubremsen. Das Finetuning erfolgt dabei durch die Ionentriebwerke. Die Sonde startete im Oktober 2018 und wird im Jahr 2021 am Merkur ankommen. Vergangenen Dezember testeten die Ingenieure der ESA in Darmstadt erstmals die vier Ionentriebwerke an Bord. „Das war eine knifflige Angelegenheit“, berichtete Elsa Montagnon von der BepiColombo-Mission. Bald darauf ging‘s auf Reisegeschwindigkeit, mit einer Kraft von 125 Millinewton, was laut ESA der Gewichtskraft einer Haushaltsbatterie entspricht.

Energieversorgung über Solarpanels

„Die Ionentriebwerke werden Standard. Das ist für uns eine spannende Zeit“, sagt Entwickler Holste. An der Universität Gießen wurde mit russischen Kooperationspartnern schon in den 1990er Jahren eine Merkur-Mission erwogen. Damals schlugen die Russen einen Kernreaktor vor, um die Energie für das Ionentriebwerk zu liefern. Die europäische Raumfahrtagentur ESA winkte ab. Später wurden Weltraum-taugliche Solarzellen so leistungsstark, dass heute die Energieversorgung von Satelliten und Raumsonden fast immer über Solarpanels erfolgt.

Aktuell erforschen die Wissenschaftler um Holste etwa zum Antriebsstoff Xenon alternative Materialien. Zum einen ist Xenon recht teuer, zum anderen muss es in 300-bar-Drucktanks mitgeführt werden. Das ist unter den rauen Startbedingungen von Raketen immer ein Sicherheitsrisiko. Ein fester Treibstoff wäre da im Vorteil. Insgesamt muss ein Treibstoff leicht ionisierbar sein und eine hohe Masse haben, damit auch der Rückstoß groß wird. Interessant wäre das Halogen Jod, aber auch so kuriose Stoffe wie Nanodiamanten lagen in einem Kooperationsprojekt mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) aus Göttingen schon auf dem Experimentiertisch.

Wesentlich für die Funktionsweise des Ionentriebwerks ist, dass der Strom positiv geladener Xenon-Ionen beim Austritt aus dem Triebwerk wieder neutralisiert wird. Das geschieht durch Beigabe von Elektronen in den Strom. Würden die positiven Xenon-Ionen allein das Triebwerk und die Raumsonde verlassen, so würde sich die Raumsonde negativ aufladen. Es entstünde ein elektrisches Feld, in dem die Xenon-Ionen auf lang gestreckten Bahnen wieder zum Raumschiff zurück kehrten. Der Vortriebseffekt wäre dann gleich Null.

Irdische Tests im Weltraum-Tank

Auch können die Teilchen des Ionenstrahls an Bauteilwände von Triebwerk, Raumsonde oder Solarpanels prasseln und dort zu Erosionserscheinungen führen. In Simulationskammern studieren die Forscher daher das Triebwerk und den Teilchenstrahl unter Weltraumbedingungen. Der Jumbo genannte Tank an der Justus-Liebig-Universität Gießen hat beispielsweise einen Durchmesser von 2,5 Metern und eine Länge von sechs Metern. Über viele Stunden reduzieren die Vakuumpumpen den Innendruck auf unter ein Millionstel Millibar. Statistisch trifft dann ein Luftteilchen erst nach einer Weglänge von einem Kilometer auf ein anderes Luftteilchen. Dort setzen Holste und seine Kollegen die Ionentriebwerke ein und studieren deren Verhalten.

Die Größe und die Leistungsfähigkeit der Ionentriebwerke kann je nach Aufgabe eingestellt werden. Von ihren Abmaßen reichen sie von der Größe einer Kaffeetasse bis zu einem Bierfässchen. Zwei Trends macht Kristof Holste derzeit aus. „Zum einen gibt es die Verkleinerung von Triebwerken für den Einsatz in Kleinsatelliten, zum Beispiel in CubeSats, zum anderen der Bau sehr großer Antriebssysteme für den Flug zum Mars“, erklärt der Physiker. Auf einer Konferenz zu elektrischen Weltraumantrieben und deren Anwendungen haben sich die deutschen Forscher mit ihren russischen Kollegen ausgetauscht. Es ging ganz einfach darum, die Elektrifizierung der Weltraumantriebe weiter voran zu treiben. Wenn es schon am Erdboden mit den Elektroautos nicht so voran geht, wie es wünschenswert wäre. Am Firmament setzen alle auf den Elektroantrieb.

Die Kraft der Ionen

Durch den Rückstoß austretender Xenon-Ionen treibt ein Ionentriebwerk die Raumsonde voran. Doch wie stark ist diese Kraft?

Eine Schokoladentafel mit einer Masse von 100 Gramm drückt auf eine Hand mit einer Gewichtskraft von ziemlich genau 1 Newton (der physikalischen Größe für Kraft), was 1000 Millinewton entspricht. Die großen Triebwerke erzeugen Schübe von 200 Millinewton was ungefähr drei Schokostückchen einer klassischen Ritter Sport-Tafel entspricht.

Ein Haarfön übt einen abgeschätzen Schub von 400 Millinewton aus, bei einer Strömgeschwindigkeit von 50 km/h und einem Volumendurchsatz von 90 Kubikmetern Luft pro Stunde. Das entspricht dem Schub von zwei großen Ionentriebwerken.

Der menschliche Atem dürfte laut Physiker Kristof Holste mit Schüben von deutlich einem Millinewton verbunden sein. Diese Kraft erlaubt das Finetuning von Orientierung und Position eines Satelliten im Orbit.

Gießen. Die Energiewende in Deutschland ist und war alternativlos (also das Abschalten aller AKWs bis 2020, sowie der favorisierte Ausbau der erneuerbaren Energien wie Wind, Solar, etc), die Durchführung der Energiewende ist zuweilen planlos. Letzteres spielt ihren Gegnern in die Hände, die sich etwa an der zunehmenden Verspargelung der Landschaft in Mittelhessen und darüber hinaus aufregen.

Diesen Kritikern fehlt das große Bild.

Daher war es aufrüttelnd, dass Mojib Latif -- derzeit Deutschlands bekanntester Klimaforscher -- in einem Gastvortrag der jüngsten Klimakonferenz der Pflanzenforscher an der Justus-Liebig-Universität Gießen diese Gesamtbild nochmal zeichnete.

Christoph Müller und Mojib Latif (r.) auf der Klimakonferenz in Gießen. (Bild: m_)

Der Kieler Klimaforscher Latif blieb dabei weitest gehend optimistisch: Wir können das noch schaffen, nämlich das 2-Grad-Ziel (soweit darf sich die Erdatmosphäre bis 2100 erwärmen), um die Auswirkungen des Klimawandels noch einigermaßen zu beherrschen.

Latif analysierte die Ursachen: Die Menschheit verbraucht zu viel Energie, insbesondere verbrennt sie zu viele fossile Energieträger dafür, die dann als Treibhausgas CO2 die Erdatmosphäre erwärmen. Die Folgen: Klimazonen verschieben sich. Wetterphänomene wie etwa Extremereignisse (Starkregen in Europa, Hurrikane im Golf von Mexiko) nehmen zu. Der Meeresspiegel steigt (derzeit rund 3,4mm pro Jahr). Der Eispanzer von Grönland schmilzt dahin. Bald ist das Nordpolarmeer im Sommer eisfrei (friert im Winter allerdings wieder zu).

Klimaforscher Latif zitierte dazu Roger Revelle (1909-1991), der schon in den 1980er Jahren sagte, die Menschen starten ein gigantisches geophysikalisches Experiment, das es in der Erdgeschichte so noch nicht gab und auch nie wieder geben wird.

Seit den Aufzeichnungen der Erdoberflächen-Temperaturen aus dem Jahr 1880 bis heute stiegen die Durchschnittstemperaturen um 1 Grad Celsius. "Das hört sich wenig an", sagt Latif, "doch zwischen Eiszeit und Warmzeit liegen auch nur 5 Grad Celsius."

"My question is: which world do we want" -- welche Welt wollen wir, fragte Latif sich und das Publikum. Das 2-Grad-Ziel ist erreichbar. Alle Techniken dafür sind verfügbar. Und dass Politiker und andere Entscheidungsträger das Kostenargument anführen: Alles zu teuer; das hält Latif schlicht für kurzsichtig und dumm. Selbst das 2-Grad-Ziel als Absichtserklärung und Ergebnis des jüngsten Klimaschutzkonferenz in Paris (COP21) vermeide bestenfalls das Schlimmste, meint Latif.

In seiner Argumentationskette hat Mojib Latif da gewichtige Schützenhilfe, indem er den US-Präsidenten Barack Obama zitiert, der wiederum den Bürgerrechtler Martin Luther King Jr. zitiert mit:

"There is such a thing as being too late."

Von Arthur Holl ist nur wenig überliefert. Eine Suchmaschinenabfrage bringt außer ein paar Fachpublikationen nichts Persönliches zutage. Er lebte in der Prä-Internet-Zeit. Jahrgang 1934, gestorben vermutlich um das Jahr 2009 (wie mir Christoph Allgaier von der Universität Tübingen berichtete). Holl war Zoologe, lange Zeit Professor an der Universität Gießen und hatte eine Passion: Spinnen. Ich traf ihn vielleicht zweimal kurz im Jahr 1996, daher ist die Erinnerung etwas blass. Er trat etwas kauzig auf, begeistert und engagiert für die Natur und die dort wuselnden Organismen.

Bis diese Woche vergaß ich ihn ganz. Selbst seinen Namen musste ich nachschlagen. Doch eines blieb mir unvergessen in Erinnerung. Etwas Einmaliges, meines Wissens nie mehr Wiederholtes, Unvorstellbares: Für eine kurze Woche im Juni 1996 präsentierte Holl in einer Ausstellung 100 Spinnenarten, live (!), in Terrarien. Das erscheint eigentlich unvorstellbar: Jede Spinnenart benötigt ihr eigenes ökologisches Umfeld, hat eigene Rhythmen, braucht eigenes Futter, und daher Fütterung in der Ausstellung. Ob diese Zahl daher großzügig aufgerundet war oder nicht: Meine Erinnerung gibt zwei Institutsräume voll gestellt mit Terrarien wieder. (Vielleicht hatten Forscher damals auch mehr Zeit, waren nicht ausgebucht mit dem Anträgeschreiben oder abgelenkt von der Dauer-Internet-E-Mail-Berieselung.)

In der Ausstellung: In einem Moment büxt eine Spinne aus. Tiefschwarz, groß. Mitarbeiterin Sabine Poppe schnappt sie mit hohler Hand. Da 'seilt' sich die Spinne geschwind vom Handteller ab. Schnell. Poppe hinterher. Sie fängt die dahin huschende Spinne erfolgreich ein und setzt sie behutsam ins Terrarium zurück.

Und noch was: Die einzige Spinnenart, die ihr ganzes Leben unter Wasser in einer Luftblase verbringt, Argyroneta aquatica, war dort auch zu sehen.

Diese Woche begegnete mir diese Spinnenart auf überraschende Weise wieder: Forscher um den Zoologen Christoph Allgaier von der Universität Tübingen und den Bauingenieur Jan Knippers von der Universität Stuttgart haben sich nämlich von Argyroneta aquatica abgeschaut, wie sie unter Wasser ihr Netz um die Luft und Leben spendende Blase spinnt. Nach diesem Konstruktionsprinzip hat nun eine studentische Projektgruppe einen Forschungspavillon gebaut: Eine Kunststoffhülle wird pneumatisch aufgeblasen (das entspricht der Luftblase). Drinnen steht ein Industrieroboterarm, der die Folie von innen mit Karbonfasern auskleidet. 45 Kilometer Faser hat der Roboterarm „versponnen“. Entstanden ist eine eindrucksvolle, gesponnene Karbon-Halbschale nach dem Vorbild der Natur und Spinne. Ziel der Entwicklung ist, Leichtbaukonstruktionsweisen der Natur auf technische Objekt zu übertragen.

Die Spinnen der Ausstellung haben Arthur Holl und seine Kolleginnen nach einer kurzen Woche wieder in die Natur entlassen. Er kannte die Fundstellen und Lebensräume genau. Außenstehenden hielt er diese Orte geheim. Begeistert sprach er von jenen sonnigen Plätzen am Kaiserstuhl (nahe Freiburg), wo noch die eine oder andere Spinnenart vorkam. So hoffe ich denn, dass Holl Begeisterung wie auch Wissen an die nächste Forscher- und Laiengeneration weiter geben konnte. Mich hatte die Begegnung jedenfalls in einem verändert: Ich wurde zum Spinnenfreund.


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