Mit Mikromotor energiesparend ins All

Lausanne (Schweiz) – Nur 200 Gramm wiegt ein innovativer Motor, der kleine und kleinste Satelliten weit ins All hinaustragen soll: Statt herkömmlichen Brennstoffs nutzt er die Schubkraft von Ionen, die durch feine Düsen ausgestoßen werden und so den nötigen Vortrieb liefern. Der hocheffiziente Prototyp, gerade präsentiert als Ergebnis des EU-Projekts MicroThrust, soll die Erkundung des Alls per Satellit deutlich kostengünstiger machen: Er kann sogenannte Mikro- und Nanosatelliten über die Umlaufbahn der Erde hinaus in den Weltraum tragen. Bislang war dies nur großen, teuren Satelliten vorbehalten. Als erstes soll der Motor im kommenden Jahr den Satelliten CleanSpaceOne antreiben, der künftig Weltraumschrott aus dem Orbit holen soll.

Schema des Satelliten, der die Form eines Quaders hat, seine Größe beträgt dreißig mal zehn mal zehn Zentimeter. An einem Ende vier Felder zu sehen, aus denen die Ionenstrahlen austreten.
Satellit mit Ionenantrieb

„Im Moment hängen Nanosatelliten in ihren Umlaufbahnen fest. Unser Ziel ist es, sie zu befreien“, erklärt Herbert Shea, Direktor des Microsystems for Space Technologies Laboratory an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) und Koordinator des EU-Projekts. Beteiligt waren auch Physiker der University of London, aus den Niederlanden Systemingenieure der Firma TNO und Hochspannungelektroniker von SystematIC Design sowie Experten der schwedischen Firma NanoSpace AB. Moderne Satelliten können klein sein wie Würfel mit zehn Zentimetern Kantenlänge und wiegen maximal 100 Kilogramm. Derzeit stehen sie im Fokus unterschiedlichster Raumprojekte, da ihre Herstellung und der Start ins All nur rund eine halbe Million statt hunderte Millionen Dollar kosten. Der MicroThrust-Antrieb soll die kleinen Satelliten nun erstmals zwischen verschiedenen Umlaufbahnen verschieben oder sie für Erkundungs- oder Beobachtungsmissionen auf den Weg ins tiefere All bringen können.

Herzstück des neuartigen Motors ist die Antriebskammer, aus welcher Ionen beschleunigt und schließlich für den Rückstoß ins All befördert werden. Die Ionen werden dabei einem organischen Elektrolyt entzogen, einem Salz namens EMI-BF4. Sein Schmelzpunkt liegt so niedrig, dass es bei Raumtemperatur flüssig ist. Daher wird diese Substanz auch Ionenflüssigkeit genannt. Per Kapillarwirkung wird das Elektrolyt zunächst an den Rand eines Feldes winziger Siliziumdüsen gelenkt, mehr als tausend pro Quadratzentimeter. Dann zieht eine Elektrode mit tausend Volt Spannung die Ionen heraus und beschleunigt sie durch die Mikrodüsen hindurch, bis sie den Satelliten an seiner Rückseite verlassen. Da die Polarität des elektrischen Feldes jede Sekunde wechselt, werden abwechselnd positive und negative Ionen ausgestoßen, bis der Treibstoff aufgebraucht ist. Die notwendige Hochspannung liefern Solarzellen an Bord des Satelliten – ihre an sich recht schwache Leistung konnten die niederländischen Projektpartner effizient bündeln.

Schema der Detailansicht des Motors. Zu sehen sind vier Felder, eine vergrößerter Ausschnitt zeigt, dass die Felder aus vielen, enggepackten Düsen besteht.
Mikromotor

Der neue Motor setzt auf langsame, aber konstante Beschleunigung bei geringem Energieverbrauch, berichtet EPFL-Forscherin Muriel Richard: „Wir haben berechnet, dass ein Ein-Kilo-Nanosatellit mit unserem Motor rund sechs Monate unterwegs ist und einhundert Milliliter Treibstoff braucht, um die Mond-Umlaufbahn zu erreichen.“ Von der Startgeschwindigkeit beim Abschuss von 24.000 Kilometer pro Stunde soll der Mikrosatellit dann über sechs Monate hinweg auf bis zu 42.000 Kilometer pro Stunde beschleunigen. Noch gilt es, kleine Probleme des Prototypen an den Düsen zu korrigieren, berichten die Forscher.

Schon ab dem kommenden Jahr soll der Ionen-Motor in zwei aktuellen Projekten zum Einsatz kommen: CleanSpaceOne ist ein auch an der EPFL entwickelter Nanosatellit, der ausgebrannte Satelliten und ähnlichen Weltraumschrott ansteuern soll und ihn in die Erdatmosphäre zieht, damit er dort sicher verglüht. OLFAR hingegen ist gleich ein ganzer Schwarm niederländischer Nanosatelliten, die im Schatten des Mondes besonders niedrigfrequente Funksignale auffangen sollen.