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Sonnensegel

Mariner 4Sonnensegel gelten als ein Antrieb, der ganz ohne Treibstoff auskommt, denn Sonnensegel basieren auf dem Strahlungsdruck des Lichtes. Dazu spannt man einfach eine große Fläche auf und die Sonne treibt einen an. So zumindest in der Theorie. Doch obwohl die Idee seit langem bekannt ist, gab es zwar viele Ideen für Raumsonden, angetrieben mit Sonnensegeln, doch bisher keinen Einsatz. Historisch gesehen gab es Überlegungen für Sonnensegel schon sehr lange. Schon Hermann Oberth erwähnte dies in seinem Buch "Mit der Rakete zu den Planetenräumen" im Jahre 1923. Zum ersten Mal wurde der Strahlungsdruck des Lichtes beobachtet, als im Jahre 1962 die Raumsonde Mariner 2 auf ihrem Weg zur Venus um mehr als einen Venusdurchmesser vom Kurs abgelenkt wurde, weil die Sonne auf die Solarpanel einen Druck ausübte. Als Folge wurden die Raumsonden Mariner 3+4 mit kleinen "Fliegenklatschen" im schrägen Winkel ausgestattet um dies zu kompensieren. (Bild links). Da man mittlerweile aber mehrmals auf der Bahn den Kurs korrigieren kann, hat man seitdem auf diese "Fliegenklatschen" verzichtet. Mit Schuld am Verlust der Raumsonde Mars Climate Orbiter war jedoch auch der Strahlungsdruck des Lichts. Da die Raumsonde nur ein großes Solarpanel hatte der Strahlungsdruck ein größeres Bestreben diese Sonde zu drehen als bei symmetrisch gebauten Sonden. Die Kompensation der Bewegung mit den Steuerdüsen der Sonden hatte auch eine Kursänderung zur Folge und diese wurde wegen einer fehlerhaften Datentabelle überkorrigiert, so dass sich die Raumsonde zu stark dem Mars näherte und verglühte.

Obgleich es also noch keine Raumsonden gibt die Sonnensegel als Antrieb nutzen, spielt der Strahlungsdruck des Lichtes doch eine Rolle beim Entwurf von Raumsonden und ihrer Mission.

Die Physik

Basis für Sonnensegel ist der Strahlungsdruck des Lichts. Damit ist der Druck gemeint, den Licht aufgrund seiner Energie ausübt. Zwar sendet die Sonne auch andere Teilchen (vor allem Protonen und Heliumkerne) aus, doch diese haben zwar eine größere Masse, aber eine geringere Zahl und eine geringere Geschwindigkeit als die Lichtteilchen und spielen daher für die Berechnung des Strahlungsdruckes keine Rolle. Lediglich die seltenen Klasse 5 Sonnenstürme können kurzzeitig die Teilchen die gleiche Energie aufweisen wie die Photonen.

Auf jede Fläche übt die Sonne durch das Licht oder geladene Teilchen ein von der Sonne abgewandten Druck aus. Dieser beträgt in Erdnähe 9.04 N/km². Dieser Druck ist sehr gering. Nur durch eine große Fläche und ein leichtes Material für das "Segel" kann eine Nutzlast beschleunigt werden. 9.04 N entsprechen der Kraft, welche die Erdatmosphäre auf 1 cm² Fläche an Druck ausübt. Das Triebwerk der zentralen Stufe Ariane 5 hat eine Schubkraft von 1350.000 N. (1350 kN)

sonnensegel.jpegBerechnet kann der theoretische Schub auf Basis der Kinetik werden. Bekanntlicherweise gilt die Beziehung:

Energie = ½ * Masse * Geschwindigkeit²

Die Energie, welche die Sonne pro Flächeneinheit abgibt ist bekannt. Sie beträgt bei der mittleren Entfernung der Erde von der Sonne 1355 W/s*m². Es gilt aber auch die Beziehung:

Schub = Masse * Geschwindigkeit

Daraus kann man ableiten, dass man für den Schub auch schreiben kann:

Schub = 2 * Energie / Geschwindigkeit

Die Teilchen die unser Sonnensegel als Antrieb nutzt sind Lichtteilchen (Photonen). Die Geschwindigkeit des Lichtes ist eine Naturkonstante: 299792458 m/s. Man erhält so für den Schub auf 1 m² Fläche:

Schub = 2 * 1355 / 299792458 = 0.00000904 N/m²

oder 9.04 N pro km² Fläche. Nähert man sich der Sonne, so ist die Kraft größer, weil mehr Lichtteilchen auf dieselbe Fläche fallen. entfernt man sich so wird sie kleiner. Es gilt folgender Zusammenhang:

Energie = 1355 W/s/m² / (Erdentfernung/Abstand)²

Die Erdentfernung beträgt im Mittel 149.6 Millionen km. Nähert man sich auf 75 Millionen km, so vervierfacht sich die Energie pro Flächeneinheit und damit auch der Schub. Sonnensegel sollten also auf die Sonne zusteuern.

Man kann diese Kraft mit einem Wind vergleichen, der auf eine Fläche trifft. Die das Raumschiff bewegende Kraft resultiert aus der Differenz des Drucks auf das Segel und dem Volumen dahinter. Daher muss ein Sonnensegel die Strahlung weitgehend reflektieren. Da es sich um Licht handelt bedeutet dies, dass die Oberfläche reflektierend wie ein Spiegel sein muss. Weiterhin ist die Beschleunigung natürlich noch von der Masse des Raumschiffes abhängig, ausgedrückt als Masse pro Fläche. So erhält man die Formel zur Berechnung der Beschleunigung durch den Sonnenwind:

ac = R * Ps / pa

Diese Formel zeigt, worauf es beim Sonnensegel im wesentlichen ankommt: Mann muss das Gewicht des Segels reduzieren. Weiterhin ist natürlich Ps keine Konstante sondern hängt vom Abstand von der Sonne ab. Halbiert man den Abstand, so nimmt Ps auf den vierfachen Wert zu :

Ps = 9.04x10-6 * (de/d)²

Damit ist klar dass der Schub zunimmt, wenn man näher der Sonne ist, aber der Sonnenwind hat nur eine Richtung: Von der Sonne weg. Will man in eine andere Richtung so muss man gegen den "Wind" kreuzen. Man benötigt also noch eine Steuerung die das Segel drehen und Kippen kann.

Die Technik

Es gibt für Sonnensegel eine Reihe von Herausforderungen zu meisten. Die wichtigsten sind der Aufbau einer sehr großen aber sehr leichtgewichtigen Struktur und die Steuerung dieser.

Die Leichtgewichtigkeit

Die Güte eines Sonnensegels wird gemessen in seinem Flächengewicht (inklusive Verstrebungen) pro Quadratmeter Fläche. Damit man eine Vorstellung hat wovon wir reden : Normales Papier für Kopierer hat ein Gewicht von 80 g/m². Dies soll als Vergleich dienen.

Es reicht ja nicht nur dass das Material sehr leicht ist, es muss auch das Sonnenlicht reflektieren also eine hohe Reflexionsfähigkeit haben (im Prinzip wie ein Spiegel wirken) und es muss den Bedingungen des Weltalls (extreme Kälte und Hitze, Teilchenbestrahlung und Bestrahlung mit harter UV Strahlung) widerstehen. Üblicherweise bedampft man daher einen Träger mit einer dünnen Aluminiumschicht und manchmal kommt auch noch eine Schutzschicht darauf um eine Oxidation des Aluminiums zu verhindern.

Das bisher leichteste Material für hoch beanspruchbare Folien in der Raumfahrt ist Mylarfolie. Bei dem Ballon Satelliten Echo 1 betrug die Masse Anfang der sechziger Jahre noch 12 g/m². Heute ist man nicht sehr viel weiter, den für eine von der DLR durchgerechnete Mission wird mit 10 g/m² gerechnet. Mylarfolie ist ein hoch beanspruchbarer Kunststoff, der für die Isolierung von Raumfahrzeugen und zum einpacken von Apparaturen benutzt wird (es ist die goldene Folie die man auf manchen Fotos von den Startvorbereitungen sieht). Ergänzt wird heute Mylarfolie von Kapton, einem sehr dünnen Textilgewebe, das vorwiegend zur Wärmeisolation verwendet wird.

Heute werden diese zwei Materialen als Basis für das Segel favorisiert: Es ist erreicht worden auf einer dünnen Mylarfolie von 5 Mikrometer Breite eine 100 nm dicke Aluminiumschicht aufzutragen. Diese hat ein Flächengewicht von 7 g/m². Die Foliendicke ist eventuell reduzierbar auf 0.5 Mikrometer Dicke (1 g/m²). Leider ist Mylarfolie nicht UV beständig, man sollte sich mit solchen Segeln also nur von der Sonne entfernen und sich nicht dieser nähern. Gegen UV Strahlen beständig ist Kaptongewebe, mit einer 100 nm dicken Aluminiumschicht bedeckt (sie wirkt reflektierend). Kapton ist allerdings derzeit nicht dünner als 8 Mikrometer herstellbar, wodurch ein Flächengewicht von 12 g/m² resultiert. Dazu kommen Verstrebungen. Leichtgewichtige Mastkonstruktionen aus Kohlefaserverbundwerkstoffen erreichen ein Gewicht von 70 g/m Länge.

Die Aluminiumschicht wirkt als Spiegel mit einem durchschnittlichen Reflexionsvermögen von 85%. Die Folie gibt dem ganzen Festigkeit und weiterhin erlaubt sie es durch eine schwarze Einfärbung die aufgenommene Wärme in den Weltraum abzustrahlen. Es wurde auch schon vorgeschlagen die Folie wegzuätzen nachdem die Aluminiumschicht aufgetragen ist. (Daraus würde ein Flächengewicht von 0.27 g/m² resultieren). Die Frage ist jedoch ob man solche dünnen Folien verpacken und entfalten kann ohne dass sie reißen.

Eine Einschränkung für Sonnensegel sind auch die Temperaturen. Steigen sie über 300 °C so hält das Segel dies nicht aus. Der minimale Sonnenabstand beträgt so etwa 45 Millionen km. Immerhin ausreichend um den Merkur zu besuchen.

Das Entfalten

Cosmos 1Ein Problem das noch experimentell gelöst werden muss ist das Entfalten des Sonnensegels. Es gab hier schon Versuche im Weltraum mit kleineren etwa 7-15 m großen Segeln. Doch für eine Raumsonde sind sehr große Segel nötig. Soll ein Segel nur die Schubkraft der kleinen Mondsonde Smart-1 haben (0.07 N), so braucht man je nach Reflexionsgrad etwa 9000 m² Fläche. Dies ist etwa 100 mal mehr als bisher erprobt wurde. Die Konstruktion muss zudem so steif sein, dass sie auch Korrekturen zulässt. Hier muss man noch Forschungsarbeit treiben, die wahrscheinlich nur im Weltraum erfolgen kann, da die Konstruktionen so leichtgewichtig sein werden, dass ein Test auf der Erde schwer möglich sein wird.

Man denkt über zwei mögliche Entfaltungsmechanismen nach. Zum einen gekreuzte Masten, an denen das Segel aufgespannt ist. Diese Konstruktion ist einfach, macht aber ein großes Segel (oder maximal 4 kleinere) nötig. Zum zweiten ein Rahmen, meist kreisförmig, an dem die Sonnensegel von der Mitte aus aufgezurrt werden. Dies erlaubt kleinere Einzelsegmente, jedoch ist die Rahmenkonstruktion aufwendiger. Mastkonstruktionen sind besser dreiachsenstabilisiert, Rahmenkonstruktionen eigenen sich besser für die Drallstabilisierung. Das Bild links zeigt Comos 1, ein Projekt der Planetary Society. Es verwendet die Rahmenstruktur.

Entfalten kann man ein solches Segel nur in einem relativ hohen Erdorbit, weil unter 800 km Höhe die Atmosphäre schon zu dicht ist. Sie bremst nicht nur das Segel ab, so dass es bald verglühen würde sondern dreht es auch.

Selbst leichtgewichtige innen hohle Träger haben einen Nachteil: Sie werden immer schwerer je länger sie werden, denn die Kraft die auf sie wirkt wird ja immer größer. Von der DLR entwickelte Streben wiegen z. B. 101 g/m bei 28 m Maximallänge, bei 42 m sind es aber schon 120 g/m². Das ist ein schwerer Nachteil und so verwundert es nicht, dass man bislang bei Sonnensegeln eher an kleine Sonden mit einer Nutzlast von maximal 50-100 kg denkt.

Die Steuerung

Das Segel muss stabilisiert werden. Dies kann durch Dreiachsenstabilisierung oder langsame Rotation (Drallstabilisierung) erfolgen. Das Problem liegt hier nicht nur in der Stabilisierung gegenüber Schwankungen der Einstrahlung, sondern der Lage generell. Jeder Körper strebt danach den geringsten Widerstand einzunehmen. Das bedeutet, dass ein Segel laufend zurückgestellt werden muss, denn sonst würde es sich um 90 Grad drehen, dass nur die Seitenkante zur Sonne zeigt (Wie ein Segelmast der frei drehbar aufgehängt ist, sich so orientiert, das die Segelfläche nicht in Windrichtung zeigt).

Diese Stabilisierung ist jedoch noch einfach zu lösen, da man anfangs eine gleichmäßige Druckverteilung hat, man also nur ein leichtes Druckungleichgewicht kompensieren muss. In der Regel wird man sich aber nicht linear von der Sonne wegbewegen. Schon auf einer Kreisbahn auf der Erde muss man sich langsam drehen um der Sonne immer der gleichen Seite zuzuwenden. Bei den meisten Reisen ist aber die gewünschte Richtung des Geschwindigkeitsvektors und der Vektor der Lichtteilchen nicht identisch, d.h. man muss das Segel schräg stellen, im Extremfall gegen den "Sonnenwind!" kreuzen. In einem solchen Fall ist der Strahlungsdruck ungleichmäßig verteilt und das Segel würde sich rasch drehen. Dafür benötigt man dann große Kräfte zur Kompensation. Eine weitere Störung sind Mikrometeoriten. Der gesamte Raum im inneren Sonnensystem ist voller Staub. Diese Teilchen durchschlagen bei Geschwindigkeiten von einigen Kilometern pro Sekunde das Sonnensegel oder zerplatzen an der Oberfläche. In jedem Fall übertragen Sie einen Impuls auf das Segel, der kompensiert werden muss.

Die Drallstabilisierung kann ein Segel sehr gut im Raum stabilisieren, jedoch nicht deren Lage. Eine zweite Steuerungsmöglichkeit sind daher kleine Ionentriebwerke im Außenbereich, versorgt mit Sonnenstrom. Diese müssen zum Gewicht des Sonnensegels hinzuaddiert werden.

Ein Segeln ist auch gegen den Strahlungsdruck möglich, ähnlich wie ein Segelboot gegen den Wind segeln kann. Mit einem Sonnensegel kann daher ins innere wie äußere Sonnensystem gereist werden. Bestimmte Manöver, die selbst für Ionenantriebe ein hohen Treibstoffverbrauch haben, sind mit Solarsegeln möglich, da keinerlei Treibstoff erforderlich ist. Dazu gehört z.B. die Umkehrung der Bahnebene. Damit könnten Raumsonden auch retrograden Kometen mit geringer Geschwindigkeit sich nähern.

Ein Segel ist wegen der großen Masse nicht so einfach der Sonne nachzuführen, weshalb der Start in einer Erdumlaufbahn Probleme aufwirft. Zudem würde auf einer niedrigen Umlaufbahn die Luftreibung überwiegen und auf mittleren Umlaufbahnen die geladenen Teilchen des Strahlungsgürtels eine hohen Druck ausüben. Unter 1000 km Höhe wird ein Sonnensegel abgebremst, daher werden Sonnensegel wahrscheinlich in eine hohe oder elliptische Umlaufbahn befördert oder man startet es gleich auf einen Fluchtkurs. Der großen Vorteil eines Sonnensegels ist, dass es keinerlei Treibstoff benötigt. Solange sich die Sonde in der Nähe der Sonne bewegt, kann jedes Ziel erreicht werden, auch wenn es dauern kann.

Überlegungen in Europa

Die DLR war in Europa führend und hat mit der europäischen Weltraumorganisation ESA folgende mögliche Missionen mit der derzeit verfügbaren Technologie erarbeitet: Für diese Konzepte wird mit Beschleunigungen von 0.5-0.55 mm/sec ausgegangen. Das entspricht einer Gesamtmasse des Raumschiffes von 16-18 g/qm Segelfläche. Das Segel macht davon 8 g/qm aus.

Für eine Pluto Mission wäre schon eine höhere Beschleunigung von 0.7 mm/s (12.8 g/qm) nötig. Die Geschwindigkeit zum Verlassen des Sonnensystems erhält man, indem man zweimal auf die Sonne zufliegt und dadurch beschleunigt. Trotzdem wäre die Reisezeit mit 10.5 Jahren kürzer als mit einem Jupiter Vorbeiflug (12 Jahre).

Für noch leichtere Segel (1-5 g/qm) und Beschleunigungen von 1-3 mm/s wären Änderungen der Geschwindigkeit von 50-100 km/s denkbar, womit man jedes Ziel im Sonnensystem erreichen könnte und auch den Bugschock des Sonnenwindes in 200 AE Entfernung in 20 Jahren erreichen könnte.

Was gibt es bisher an Hardware und konkreten Plänen?

Man plante in den USA Ende der siebziger Jahre eine Sonde zu dem Kometen Halley. Diese sollte anders als die später gestarteten Sonden Vega 1+2, Susei, Sakigake und Giotto den Kometen auf seiner Reise begleiten. Da dieser sich entgegen der Bewegungsrichtung der Sonne bewegt, muss eine Raumsonde sehr stark ihre Geschwindigkeit ändern. Dies ist mit chemischen Treibstoffen nicht zu machen. Daher untersuchte die NASA die Alternativen Sonnensegel und elektrische Triebwerke. Bei dem Vergleich schnitten Sonnensegel schlechter ab, so dass man den Ionenantrieb favorisierte. Es kam wegen Budgetkürzungen jedoch niemals zum Bau der Sonde. Die Sonde zum Kometen Halley hätte ein Sonnensegel in der Größe von 600.000 m² (eine Fläche von 750 x 800 m) erfordert.

Derzeit sind nur wenige Projekte geplant. Die DLR hat schon ein 8 × 8 m großes Modell gebaut, das schon funktioniert - allerdings ist es noch zu klein und zu schwer für eine Sonde: Der 12 µm dicke Mylarfilm wiegt noch 10 g/qm. Gearbeitet wurde bis 1999 an einem 20 × 20 m Modell, das am Erdboden getestet werden soll.

Diesem sollte ein Orbiteinsatz als Sekundärnutzlast an Bord einer Ariane 5 folgen. Die Masse muss dann unter 100 kg liegen, die Größe im eingefalteten Zustand unter 60 × 60 × 80 cm. Bei einer Angegebenen Masse von 48 g/m² ist dies gleichbedeutend mit einer Fläche von 2080 qm. Für diese Mission ist entweder gedacht den anfänglichen Erdorbit von 620 × 36000 km laufend zu ändern um die Eignung für Erdorbitflüge zu testen oder die Sonde innerhalb von 550 Tagen in einen polaren Mondorbit einschwenken zu lassen.

Hauptzweck ist allerdings der Test der Entfaltung des Segels im Orbit und Test ob auch das Raumschiff präzise zu steuern ist. Das alleine ist schon eine schwierige Aufgabe, bedenkt man das ein Segel von der Größe eines Fußballfeldes aus einem Kühlschrankgroßen Behälter entfaltet und präzise gesteuert werden muss.

Die von der ESA durchgeführte Geosail Studie will ein Sonnensegel nutzen um das Erdmagnetfeld und die Interaktion mit dem Sonnenwind zu untersuchen. Dieses würde sich zwischen 10 und 24 Erdradien bewegen. Dieses soll ein 7.5 µm dickes Kaptongewebe belegt mit einer 0.1 µm dicken Aluminium und 0.01 µm breiten Chromschicht beinhalten. Das Flächengewicht des 42 x 42 m großen Segels beträgt etwa 33 g/m² mit Strukturen. Eine Reduktion auf 3.7 x 3.7 m wäre möglich durch eine 0.9 µm dicke Mylarfolie. Das Sonnensegel wiegt mit allen Subsystemen etwa 58 kg. Die Raumsonde etwa 60-67 kg.

Die Planetary Society will 2005 ein experimentelles Raumschiff starten um die Technik des Sonnensegels zu erproben. Es wird von einer Volna Rakete in einen 800 x 1000 km hohen elliptischen Orbit transportiert. Dort werden die Sonnensegel entfaltet. Das Raumschiff wiegt nur 40 kg, hat aber trotzdem Sonnensegel mit einer Fläche von 600 m². Es besteht aus 8 dreieckigen Segeln in einem Rahmen. Jedes Segel hat eine Kantenlänge von 15 m. Es geht in diesem Projekt um den Nachweis, dass es prinzipiell geht. Den der Orbit ist nicht gut gewählt. Im Strahlungsgürtel der Erde verliert die Mylarfolie sehr rasch an Reflexionsfähigkeit und damit die Fähigkeit der Beschleunigung der Sonde. Man rechnet damit, dass die Sonde etwa 12 Tage lang beschleunigt und dabei eventuell genügend Geschwindigkeit erreicht um eine höhere Bahn einzuschlagen die stabil ist. Spätestens nach einem Monat haben die Mylarfolien ihre Reflexionsbeschichtung verloren und das Segel beschleunigt kaum mehr. Wenn es genügend Höhe gewonnen hat dürfte es die Erde noch einige Zeit umkreisen. Für wahrscheinlicher hält der Projektleiter es allerdings, dass es bald wieder in der Erdatmosphäre verglüht. Das Sonnensegel besteht aus einer 5 Mikrometer dicken Mylarfolie auf einer Aluminiumschicht.

Der Start scheiterte am 21.6.2005. Die Volna Rakete erreichte keinen Orbit.

Japan startete 2010 die Venussonde Akatsuki  zusammen mit dem Sonnsegeldemonstrator IKAROS. IKAROS ist ein "Solar Power Sail", der die Membran zum Teil mit Solarzellen (Dünnfilmsolarzellen) belegt hat. Diese versorgen die Sonde mit Strom, man könnte in einem weiteren Schritt an Ionenantriebe als zusätzlichem Antrieb dienen. Zumindest kann man mit den Ionentriebwerken das Sonnensegel ausrichten und so steuern. Die Dünnfilmzellen haben nur eine Dicke von 25 µm.

Ikarus war in einem 0,8 m hohen und 1,60 m durchmessenden Behälter untergerbacht. Die nur 7,6 µm dicke Folie aus Polyimidharz, bedampft mit Aluminium wiegt inklusive vier 0,5 kg schweren Gewichten die man braucht um es zu entfalten (sie ziehen es wenn der Zylinder rotiert auseinander und werden nach voller Entfaltung abgeworfen wiegt nur 15 kg. Die gesamte Konstruktion 310 kg, ohne Treibstoff 290 kg. Dieses Segel ist das bisher größte erfolgreich entfaltete. Jedoch ist es immer noch klein verglichen mit der Gesamtmasse von 290 kg des Demonstrators. So konnte es auch kaum den Kurs beeinflussen. Ikarus passiert die Venus in 80.000 km Entfernung, das entspricht dem Startkurs, auf den es zusammen mit Akatsuki gebracht wurde.

2015 folgte an Bord einer Atlas V das Lightsail der Planetary Society. Es ist viel kleiner als bisherige Projekte und in einem 3U Cubesat Gehäuse untergebracht. Diese für Kleinstsatelliten standardisierten Gehäuse sind 10 x 10 x 30 cm groß. Diese Mission soll nur das Entfalten der vier Solarzellen erproben. Davon sollen Bilder gemacht werden. Ein Jahr später wird Lightsail1 zusammen mit einem Satelliten folgen. Der das Entfalten dokumentiert. Er soll dann das Segeln erproben. Er wird in 720 km Höhe aussetzt. Lightsail 1 hat 4,5 mm dicke Sonnensegel.

Die NASA will das Projekt Sunjammer mit 12.000 m² Fläche vor allem als Öffentlichkeitsprojekt vorantreiben. Seit 2013 gibt es jedoch wenige Fortschritte zu vermelden. In Zeiten der "Sequestration" fehlt wohl das Geld für diese und andere Projekte.

Was sind die Möglichkeiten des Einsatzes von Sonnensegeln?

In ihrer Leistung sind Sonnensegel und elektrische Triebwerke beim heutigen Entwicklungsstand vergleichbar. Je nach Zweck liegt der Vorteil beim einen oder anderen System:

Vergleich elektrische Triebwerke und Sonnensegel

Vergleich Ionentriebwerke / SonnensegelDa elektrische Triebwerke (Ionentriebwerke) heute ihren Strom durch Solarzellen beziehen sind sie von der Sonne genauso abhängig wie Sonnensegel. (Man könnte diese auch durch Kernreaktoren betrieben, doch ist diese Technologie heute politisch nicht durchsetzbar). Man kann daher die beiden Konzepte vergleichen. Im folgenden soll es darum gehen eine 1000 kg schwere Raumsonde um 5000 m/s zu beschleunigen. Der Antrieb mit allen Zusatzsystemen darf dabei 500 der 1000 kg wiegen. Der Antrieb machte also die Hälfte der Gesamtmasse aus. Sinnvollerweise wird man die Sonde vorher auf Fluchtgeschwindigkeit bringen.

Der Ansatz ist der, von den bekannten Leistungsdaten elektrischer Antriebe (in diesem Falle den Werten von Solargeneratoren und dem Triebwerk RIT-35L) zu berechnen welches Flächengewicht bei Solarsegeln diesem äquivalent ist. Gelingt es leichtere Segel herzustellen so ist das Solarsegel im Vorteil, bei schwereren das Ionentriebwerk.

Ein Ionenantrieb mit dem Triebwerk RIT-35L hat eine Ausströmgeschwindigkeit von 32 km/s. Anders als Sonnensegel braucht man einen Treibstoff der ionisiert wird. Bei der Ausströmgeschwindigkeit von 32 km/s braucht man nach der Raketengrundgleichung 145 kg Treibstoff um die Geschwindigkeit um 5 km/s zu ändern. Es bleiben also noch 355 kg für die Stromversorgung und den Antrieb mit Tanks. Rechnet man 75 kg für den Antrieb, die Tanks für den Treibstoff Xenon und Leitungen, so bleiben 280 kg für die Stromversorgung. Große Solarpanels mit Kombinationssolarzellen erreichen Wirkungsgrade von 21 % und haben 4 kg/m² Gewicht. Man kann also bei 280 kg für den Solargenerator 70 m² Solarzellen mit einer Leistung von 19.8 kW in Erdnähe installieren. Bei diesen Vorgaben und einem Wirkungsrad von 70 % erreicht der elektrische Antrieb eine Geschwindigkeitsänderung von 5000 m/s innerhalb eines Zeitraumes von 67 Tagen.

Bei einem Solarsegel kann man die ganzen 500 kg für das Segel verwenden. Die Sonne liefert einen Schub von 9.04 N/km². Für eine Beschleunigung innerhalb von 67 Tagen muss man also einen gleichmäßigen Schub von 5000 m/s * 1000 kg / 67 * 86400 sec = 0.863 N erreichen. Dazu braucht man bei 9.04 N/km²eine Fläche von 96000 m². (0.963 N /9.04 N/km² = 0.096 km² = 96000 m²). Bei einem Gewicht von 5000 kg darf ein Quadratmeter (inklusive Raumsonde) also maximal 5.2 g/m² wiegen. Er muss also 16 mal leichter sein als das Papier, dass sie für ihren Drucker verwenden. Derzeit gibt es kein Segel das so leicht ist. Das Flächengewicht der gesamten Raumsonde liegt dann bei 10.4 g/m².

Allerdings nimmt der Anteil an Treibstoff bei Ionentriebwerken bei höheren Geschwindigkeiten rasch zu. Bei einer Geschwindigkeitsänderung von 10 km/s braucht ein elektrischer Antrieb schon 206 Tage um diese zu erreichen, weil der zusätzliche Treibstoff eine Verringerung der Solarzellenfläche nach sich zieht. Nun ist schon ein Solarsegel mit einem Gewicht von 8 g/m² gleich leistungsstark. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass man bei elektrischen Triebwerken eine feste Leistung voraussetzt. Ein Triebwerk hat einen gewissen Stromverbrauch, das RIT 35L z.B. einen von 4450 Watt. nähert man sich der Sonne, so muss man mehr Triebwerke mitführen um die zusätzliche Leistung zu nutzen, entfernt man sich von der Sonne, so kann man nur einen Teil der Triebwerke nutzen. Dies bedeutet in jedem Fall, dass man nur in einem bestimmten Sonnenabstand die Triebwerke optimal ausnutzt.

Solarsegel sind also dann im Vorteil wenn es gelingen könnte diese äußerst leichtgewichtig herzustellen oder wenn man sehr hohe Geschwindigkeiten aufbringen muss. In einem sind Ionentriebwerke allerdings elektrischen Triebwerken um einiges voraus: Sie sind schon erprobt. Die Technologie wurde seit 1965 getestet. Zuerst sporadisch. Seit etwa 10 Jahren ist sie im kommerziellen Einsatz. Genutzt werden Ionentriebwerke als Lageregelung für Satelliten und als Antrieb für Raumsonden: Gestartet sind schon SMART-1 und DS-1, folgen werden die Missionen BepiColombo und Dawn. Auch dies erklärt warum man sich heute eher auf elektrische Triebwerke verlässt anstatt Sonnensegel zu erproben.

Die obige Abbildung zeigt dies recht gut. Es zeigt auch dass die Wahl abhängig von der Reisezeit ist. Für kurze Reisezeiten sind Sonnensegel sogar chemischen Antrieben unterlegen. Ansonsten hängt der Vorteil von der Reisezeit, der Beschleunigung des Sonnensegels und der Leistung der Stromversorgung ab.

Links:

http://global.jaxa.jp/countdown/f17/pdf/presskit_ikaros_e.pdf

Artikel geschrieben: 2005, Artikel zuletzt geändert: 24.5.2015



© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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