Ich war mal wieder auf der Suche nach Neuigkeiten über die Technologiemission ST-8. ST-8 ist eine Erprobungsmission für neue Technologie (ST: Space Technologie). Mich interessiert sie, weil sie besonders leichtgewichtige Solararrays erproben sollte, deren Leistungsgewicht ich für meine Ionen Missionen nutze. Nun wäre es schon interessant, ob sie auch funktionieren, doch seit Jahren tut sich auf der Webseite nichts. So suchte ich nach Dokumenten und stellte fest, dass die NASA schon an der nächsten Mission arbeitet, der ST-9. Diese wird drei Technologien erproben:
- GPS Navigation im Erdorbit (als alleinige Methode zur Positionsbestimmung ohne IMU)
- Treibstofferzeugung on Demand
- semiadhäsive Membranen
Das erste ist relativ unwichtig. Die beiden letzteren Punkte sind jedoch sehr interessant. ST-9 soll in einem 400 km hohen Orbit ausgesetzt werden und dann durch den eigenen Antrieb diesen anheben, um die GPS Navigation in unterschiedlichen Höhen zu erproben. Dazu setzt es einen (fast) konventionellen Antrieb ein. Es ist ein LOX/LH2 antrieb, der nach den Kenndaten von Astrium stammt und bis auf das Zündsystem (elektrisch anstatt chemisch) identisch mit deren 300 N Triebwerk ist. Neu ist, dass zur Gewichtseinsparung der Treibstoff in Form von Wasser mitgeführt wird. Dies wird an Bord durch Elektrolyse gespalten und die Gase in zwei Druckgastanks zwischengelagert. Zwei 10 l Tanks mit einem Maximaldruck von 40 bar nehmen 71,4 g Wasserstoff und 571 g Sauerstoff auf. Das Triebwerk wird dann mit diesem Druckgas betrieben, wodurch ein Treibstofförderungsystem entfällt. Ein Mindestdruck von 10 bar muss für den Betrieb der Brennkammer gewährleistet werden, sodass der Impuls pro Zündung begrenzt ist: Pro Betrieb können so maximal 500 g Treibstoff verbraucht werden, das ist bei dem geplanten Startgewicht der Sonde von 400 kg eine Geschwindigkeitsänderung von 5,2 m/s. Das Verfahren eignet sich also nicht für größere Bahnmanöver, aber sehr gut für das On-Station Keeping für das es später dann auch bei geostationären Satelliten eingesetzt werden soll. Dort wird es trotz der Druckgastanks erheblich Gewicht sparen, auch weil das Helium und die schweren Flaschen für die normalen Triebwerke entfallen kann. So sollen die Satelliten bei gleichem Treibstoff ein Drittel länger betrieben werden können.
Mit 500 W Leistung für die Elektrolyseanlage wird ST-9 rund 5 Stunden benötigen, um das Wasser für eine Triebwerkszündung zu spalten. 45,36 kg (100 lbs) Wasser sind an Bord, um diese zu spalten werden rund 450 Stunden gebraucht.
Das ist aber nur ein Aspekt, warum ST-9 so interessant ist, das zweite sind die semiadhäsiven Membranen. Das sind Membranen die mit Nanopartikeln behandelt wurden sodass sie Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe auch im Vakuum fest an der Oberfläche binden. Beim Verflüssigen dringen sie in die Membran ein und können in einem Zwischenraum dann nicht mehr entweichen. Dieser besteht aus einem wasserbindenden Gewebe. Man nutzt dieses Material zum einen um den Wassertank auszukleiden und so zu verhindern, dass das Wasser eine Kugel im Vakuum formt, zum zweiten entfaltet die Sonde aber einen Schirm von 1,61 m Durchmesser der mit diesem Material ausgekleidet ist. Er wird unter die Düse gespannt und ist rund 0,9 m von ihr entfernt. Das Triebwerk zündet auf der Nachtseite der Erde, das Gewebe soll das bei der Verbrennung einstehende Wasser in Form von Eis auffangen und binden. An der beschienen Seite des Orbits wird das Wasser verflüssigt und da die Sonde sich mit 2 U/s dreht an den Rand des Schirms geleitet. Von dort leiten Kapillaren es wieder in den Wassertank.
Was erprobt wird ist also nicht weniger als ein System zum Treibstoffrecycling. Es wird nicht möglich sein, den ganzen Treibstoff aufzufangen, doch man rechnet damit im pessimistischen Fallmit einer Rückgewinnungsrate von 80%, wird den Treibstoff also fünfmal wiederverwenden zu können (die 45 l entsprechen also rund 227 kg Treibstoff), im optimistischen Fall sollen es sogar zehnmal sein. Auch die „Recyclingrate“ wird ein Bestandteil des Erprobungsprograms von ST-9 sein. Erreicht man eine Rate von 85% so wird auch das GPS Experiment interessanter, weil die 45 l dann ausreichen die Sonde über den Orbit der GPS Satelliten hinaus zu befördern und man so feststellen kann ob man die Technik auch für Satelliten im Geo Orbit nutzen kann.
Langfristig könnte das System vielfältig ausgenutzt werden. Kommunikationssatelliten könnten sich aus dem Erdorbit in den GEO heraufspiralen, ohne Ionentriebwerke einzusetzen (aufgrund des niedrigeren spezifischen Impuls braucht man zehnmal weniger Zeit um die gleiche Geschwindigkeitsänderung durchzuführen, der Treibstoffverbrauch isst nahezu identisch). Raumsonden könnten mit viel weniger Treibstoff auskommen und aus einem elliptischen Anfangsorbit den kreisförmigen niedrigen Erdorbit erreichen. Erderkundungssatelliten könnten mit relativ wenig Treibstoff zum Verglühen gebracht werden, bisher ist das bei Umlaufbahnen in 700-800 km Höhe wegen des Treibstoffverbrauchs nicht möglich. An Bord der ISS installiert könnte man rund 6 t Treibstoff pro Jahr einsparen.
Nun der Wermutstropfen: ST-9 ist derzeit nur in der Konzeptionsphase. Ob und wenn ja wann die Sonde gebaut wird ist noch völlig offen, denn schon ST-8 steht seit 2006 am Abschluss der Phase B und hat keine Finanzierung für den eigentlichen Bau der Sonde und die Operation. Sollte die Sonde umgesetzt werden und auch so funktionieren, so würde sie sicher den Raumtransport ab den niedrigen Erdumlaufbahnen umkrempeln.
