Sonnensegel und Ionenantriebe

Es ist still geworden um Sonnensegel, während Ionenantriebe inzwischen schon Einzug zur Lageregelung von geostationären Satelliten eingezogen haben. Zeit dem mal auf den Grund zu gehen. Zuerst einmal sehen Sonnensegel oberflächlich viel attraktiver als Ionenantriebe aus – Es wird weder ein kompliziertes Triebwerk benötigt, noch eine Hochspannungsquelle mit beschränkter Lebensdauer (bei Langzeitmissionen setzt man mehrere dieser ein). Zudem werden keine teuren Solarzellen oder gar ein Kernreaktor als Energiequelle benötigt. Stattdessen nur eine leichtgewichtige Folie und ein paar Stangen – schon hat man das Sonnensegel.

Warum setzt man es also nicht ein? Weil der Teufel im Detail liegt. Der Strahlungsdruck durch das Licht ist gering und beträgt maximal 9 N/km (100 % Reflektion). Die Solarzellen, die den Strom für ein Ionentriebwerk mit 9 N Leistung liefern , belegen dagegen – je nach Triebwerk und Solarzellen – nur 100-200 m, das bedeutet, ein Solarsegel muss die rund 10.000 fache Fläche eines Solargenerators einnehmen. Damit also überhaupt nennenswerter Schub entsteht, muss das Material äußerst leicht sein. Derzeit gibt es zwar Ideen wie dies zu bewerkstelligen ist, verfügbare Segel sind jedoch noch zu schwer. Nicht zu letzt ist das Problem ungelöst, wie man ein richtig großes Segel im Weltraum aufspannt und mit (ebenso leichtgewichtigen) Streben stabilisiert.

Das nächste Problem ist dann das Steuern. Zwar unterscheidet das Segeln im Strahlungsdruck des Lichts (nicht im Sonnenwind!) sich nicht so viel von dem auf dem Meer, es ist möglich quer oder sogar gegen die „Windrichtung“ zu segeln. Doch dazu muss das ganze Segel im Weltraum geschwenkt werden. Dazu benötigt man dann doch Triebwerke. Bei einem älteren Entwurf für eine Kometensonde aus den Achtzigern habe ich da an den Ecken Solarzellen entdeckt, die wohl dort einige Ionentriebwerke zum Schwenken antreiben.

Für mich liegt der Hauptnachteil der Sonnensegel in der Tatsache, dass sie nur in einer Sonnenumlaufbahn betrieben werden können: Man kann sie zwar in einer Erdumlaufbahn aufspannen. Doch so ausgedehnte und leichte Strukturen würden durch die Schwankungen des Erdgravitationsfeldes rasch anfangen sich zu drehen um den energetisch günstigsten Zustand einzunehmen. Dazu kommt noch der Weltraummüll, der das Segel beschädigen kann und das Navigieren mit durchlöcherten Segeln ist enorm schwer. Vor allem muss aber in einer Erdumlaufbahn die Schubrichtung dauernd gewechselt werden, um nicht nach einem halben Umlauf wieder die Bahn abzusenken. Anders als ein Ionentriebwerk kann man den Schub aber nicht einfach abschalten.

Damit kann ich mit einem Solarsegel nur noch innerhalb des Sonnensystems navigieren. Doch wie viele Ziele gibt es da, die dann attraktiv zu erreichen sind? Vor allem ist die Startmasse schon klein, denn es muss mindestens Fluchtgeschwindigkeit erreicht werden (Ionentriebwerke können auch in einer Erdumlaufbahn arbeiten, wie SMART-1 eindrucksvoll zeigte). Ein weiterer Punkt: Im Prinzip kann ich bei einem Ionenantrieb recht leicht die Größe verändern. Die Basiselemente bleiben bleich, ja ich könnte sogar einfach Triebwerke bündeln, anstatt ein größeres zu entwickeln. Damit kann die Technologie im Kleinen bei Satelliten erproben. Bei einem Solarsegel muss selbst für eine kleine instrumentelle Nutzlast nur zum Erproben des Konzepts schon ein recht großes Segel gebaut werden und während man dies noch in einer Lagerhalle auf der Erde zum Test entfalten kann, scheitert das bei einem größeren Exemplar – die Ideen für ganz leicht gewichtige Segel sind auf der Erde gar nicht erprobbar, sie wären zu instabil (Bedampfen von Mylarfolie mit Aluminium, Auflösen der Folie durch Säuren/Lösungsmittel, so dass nur noch die hauchdünne bedampfte Schicht übrig bleibt).

So sehe ich auch für die Zukunft für Sonnensegel schwarz.

16 thoughts on “Sonnensegel und Ionenantriebe

  1. Hi Bernd,

    sag mal, war da mal nicht ein Wettbewerb von diversen Universitäten geplant? Jede Uni baut einen Sonnensegler und irgenwie sollte dann ein Wettrennen stattfinden. Weißt du da was drüber?

    Und warum segelt man nicht im Sonnenwind? Der ist doch stärker, oder?

    Lg

    Tilman

  2. das Sonnensegel hat noch andere Riesen Probleme
    das Segel kann nur ab 800 km hohe entfaltet werden
    sonst bremst die Rest Atmosphäre das Segel bis wiedereintritt
    dazu logistische Alptraum das Segel zu falten und entfalten,
    ohne das Hauch dünne Segel zu zerreissen?
    und ich meine ein 5 µm dicke aluminiumbeschichtete Mylar-Folie !

    gibt alternative ?
    da gibt noch den M2P2 antrieb
    eine Plasmawolke das von einen Magnetfeld gehalten wird
    Somit ein Segel das den Sonnenwind als Schub nutz

    auf Papier ist M2P2 Dynamit und Simulation sehen viel versprechend aus
    132 kg Sonde erreicht 80 Km/s2
    doch leider hat keiner bis jetzt M2P2 in Weltraum getestet
    http://www.ess.washington.edu/Space/M2P2/
    http://www.ess.washington.edu/Space/propulsion.html

  3. Sonnensegel sind genial für interstellare Missionen. Zuvor muss man aber die Probleme in den Griff bekommen: Ultradünne Folie, Riesen-Drehimpuls des gesamten Segels, Vibrationen in den Stangen, die das aufspannen usw. Funktioniert das Segel, kann man dann binnen weniger Monate in das innere Solarsystem reisen (zum Vergleich: Bepi-Colombo und andere Merkur-Sonden brauchen Jahre dafür!) und sich dort von der intensiven Sonnenstrahlung dann richtig beschleunigen lassen.

  4. Äh nein Kai, wenns so schnell ins innere Sonnensystem gehen soll, dann musst Du erst mal die Sonne auswechseln. Vielleicht gegen einen Blauen Riesenstern. Selbst wenn – dann gehts durch die hohe Beschleunigung genauso schnell wieder raus und so viel Geschwindigkeit hat man dann auch nicht gewonnen.

    Der einzige Zweck wo sich Solarsegel wirklich lohnen, sind mehrfache Kursänderungen im Inneren Sonnensstem z.B. Hüpfer von einem Planetoiden zum anderen oder Rundreisen im inneren Sonnensystem

  5. Wenn wir schon bei dünnen (leichten) reflektierenden Strukturen sind, könnte man diese auch als zusätzliche Reflektoren zum Bündeln des Sonnenlichts auf die Solarzellen einer Ionenrakete verwenden. Das macht besonders beim Einsatz von Ionentriebwerken im Äußeren Sonnensystem Sinn. Der Vorteil von Sonnensegeln ist, daß hier die Strahlgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit ist. Das ist aber beim augenblicklichen Antriebsbedarf eher unerheblich.

  6. Solarkonzentratoren sind für Jupitersonden mit solarer Energieversorgung vorgeschlagen worden. Da es noch keine Methode gibt Sonnensegel so aufzuspannen, dass man die strahlen bündeln kann sind Solarkonzentratoren derzeit noch aus massiveren Materialen als die Sonnensegel, gleichwohl erheblich leichter als Solarzellen.

    Die Lichtgeschwindigkeit hat mit dem Antrieb nur wenig zu tun, weil die Photonen per Definition masselos sind. Also 300.000 km mal nichts ergibt nichts. Rein theoretisch können auch Ionentriebwerke Teilcehn auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Es macht nur keinen praktischen Sinn. Die Antriebsleistung eines Sonnensegels leitet sich alleine von der eingestrahlten Energie ab.

  7. Zum Bündeln müsste glattziehen reichen, da ein fast planer spiegel als Reflektor ausreicht. Es muß bei flächigen Solarzellen kein Parabolspiegel sein. Auch aufblasbare Folien könnten als Konzentratoren dienen.

  8. Ohne Büpndelung muss aber der Spiegel nicht größer als die Solarzellen sein. Sonst verschenkt man ein Großteil des reflektierten Lichts, weil es daneben geht. Daher verwendet man heute einfach ein dünnes, poliertes Alublech – die Einsparungen an Gewicht mit Folien stehen in keinem Verhältnis zum höheren Aufwand.

  9. >Warum sollte der Sonnenwind stärker sein? (Physikalische Begründung?)

    Der Solarsegler verwendet geringen Druck des Sonnenlicht
    wahrend das M2P2 Feld die Teilchen in Sonnenwind einfangt
    Heliumkerne, Protonen, Elektronen (400â

  10. @Michel
    Ich wollte mit der Bemerkung über den Sonnenwind, wie eigentlich in allen Blogs, meine Leser dazu anleiten sich mal über den Sinn von Behauptungen Gedanken zu machen. Der Sonnenwind klingt zwar pathetisch, aber der Teilchenstrom ist relativ klein. Da aber die Beschleunigung aber nicht nur von der Geschwindigkeit und Masse, sondern auch der Anzahl der Teilchen abhängt ist der Sonnenwind als Quelle vernachlässigbar.

  11. Hallo Bernd!

    Ich glaube nicht, daß man mit einem Sonnensegel gegen den Sonnenwind kreuzen kann. Bei Segelschiffen funktioniert das auch nur, weil sie sich an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft befinden. Das Wasser sorgt hier für eine stützende Kraft, die es erst ermöglicht, die Kraft des Windes in eine krängende und eine vortreibende Kraft zu zerlegen.

    http://de.wikipedia.org/wiki/Kreuzen_(Seefahrt)

    Tschüß
    Pasa

  12. @Halo Pasonic

    Ich glaub auch vieles nicht, z.B. glaub ich nicht das die Shuttles wirtschaftlich sind. Bei Berechnungen verlasse ich mich aber nicht auf Glauben. Auch wenn Sonnensegel an die Schiffdhart erinnern haben sie doch damit nichts zu tun, unter anderem bewegt sich ein Schiff nicht auf einer Umlaufbahn und kann still stehen. Es geht eigentlich nur um Beschleunigung oder abbremsung –
    Abbremsung – > Flug zur Sonne
    Bsxchelunigung -> Bewegung weg zur Sonne.
    Wird das Segel so gestellt, dass die reflektierten Photonen gegen die Bewegungsrichtung reflektiert werden, so bremst es ab.

    der Wikipedia Eintrag ist daher irrelevant, da nicht zutreffend

  13. Du hast Recht mit der Abbremsung oder Beschleunigung auf der Umlaufbahn. Hier habe ich nicht weit genug gedacht. Ich wurde von dem unpassenden Vergleich mit einem Segelschiff irritiert. Allerdings haben solche Bahnänderungen nichts mit Kreuzen gegen den Wind zu tun.

  14. Hat die ESA auch mit einem Ionenantrieb vergleichen? 10-15 km sind nicht besonders viel für einen Ionennantrieb. Alleine Dawn erreicht schon 11 km und hat nicht mal eine dezidierte Antriebsstufe, sondern nutzt nur einen normalen Solargenerator…..

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