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Seit Anbeginn der Raumfahrt wird der chemische Antrieb eingesetzt. Er wurde deutlich verbessert, aber er hat physikalische Grenzen. Mehr als rund 5000 m/s wird man mit dem chemischen Antrieb nicht erreichen. Es gibt aber auch Antriebe, die 8000 m/s, 200 000 m/s oder sogar (im Prinzip) unendliche Ausström-Geschwindigkeiten erreichen. Als ich mich mit der Raumfahrt erstmals beschäftigte, waren dies „Antriebe der Zukunft“ (wir reden von den Achtzigerjahren des letzten Jahrhunderts). Als ich vor über 20 Jahren anfing, die Website aufzubauen, habe ich das entsprechende Kapitel auch über „zukünftige Antriebe“ betitelt – und ratet mal, was sie heute sind? Ja genau, Antriebe der Zukunft. Sie teilen das Schicksal mit dem Fusionsreaktor, der genauso lange immer in 10 Jahren einsatzbereit ist …

Ich lasse mal alle utopischen Konzepte weg und beschränke mich auf das, was heute technisch umsetzbar ist, und da sind es dann nur noch drei Technologien:

Nukleare Antriebe

Am nächsten zum chemischen Antrieb dran ist der nukleare Antrieb. Die Funktion der Verbrennung in der Brennkammer ist es nur, heißes Gas zu erzeugen – und zwar möglichst heißes Gas. Je höher die Gastemperatur und je niedriger die Molekülmasse, desto höher die Ausströmgeschwindigkeit. Beim nuklearen Antrieb platziere ich einfach eine Wärmequelle in die Brennkammer, die den Treibstoff erhitzt. Das ist schon das ganze Grundprinzip des nuklearen Antriebs. Die Wärmequelle ist ein Kernreaktor und nicht eine chemische Reaktion Das Kühlmittel des Reaktors ist der Treibstoff.

Das Grundproblem: So heiß, dass der Reaktor durchschmilzt, darf er nicht werden. Bei Testreaktoren hat man 2200 K erreicht, bis 2700 K sollte es gehen, dann erreicht man den Schmelzpunkt der Uran/Plutonium‑Elemente. Das ist rund 1000 K „kühler“ als bei einer chemischen Reaktion. Wie kommt man dann auf die höhere Ausströmgeschwindigkeit von 7–8 km/s? Nun, man reduziert die Molekülmasse und setzt nur Wasserstoff ein. Der hat die Molekülmasse 2. Rein theoretisch könnte man auch den Reaktorkern durchschmelzen lassen, zumindest in der Theorie gibt es solche Konzepte. Dass er nicht durch die Düse entfleucht, sollen Magnetfelder besorgen, aber das ist bisher reine Utopie.

Ein Vorteil: solange der Reaktor nicht kritisch wird, besteht er aus angereichertem Uran mit einer verhältnismäßig geringen Radioaktivität. Das erleichtert die Startvorbereitungen beträchtlich und man kann ihn ja auch erst im Orbit zünden. Das letztere muss man auch deswegen tun, weil verglichen mit dem Schub man eine enorme thermische Leistung braucht, berechenbar nach:

L = m * v² / 2

Spielen wir mal mit den Zahlen. 8000 m/s Ausströmgeschwindigkeit als v sind technisch möglich, der leistungsfähigste Kernreaktor ist nach Wikipedia der Taishan in China mit 4.590.000.000 Watt (4,59 GW) thermischer Leistung. Formt man diese Gleichung um, so erhält man:

m = 2 * L / v²

und mit eingesetzten Zahlen erhält man für m = 143,5 kg/s. Also werden pro Sekunde nur 143 kg Wasserstoff umgesetzt. Den Schub kann man berechnen nach:

P = m * v

Mit 143,5 kg/s und 8000 m/s kommt man auf 1147,5 kN Schub. Das ist nicht viel, vor allem wenn man sieht, dass die Masse des Reaktorkerns mit 420 t und sein Durchmesser mit 3,77 m und seine Höhe mit 4,20 m angegeben wird. Also: Ein Raptor‑Triebwerk hat eine Brennkammer, die ungefähr um den Faktor 10 kleiner ist und trotzdem den doppelten Schub. Aus diesem Grund kann man Nukleartriebwerke auch nicht nutzen, um in den Orbit zu gelangen – sie liefern pro Masseeinheit einfach zu wenig Schub.

Zweiter Nachteil: Wasserstoff braucht sehr schwere Tanks. Die Dichte ist ungefähr 14‑mal kleiner als bei LOX/Kerosin und immerhin noch 4–5‑mal kleiner als bei LOX/LH2. Das heißt, die Tanks wiegen wirklich viel, etwa ein Fünftel des Inhalts. Dazu kommt der schwere Reaktorkern, den chemische Antriebe nicht brauchen. Die Trockenmasse von nuklearen Stufen ist daher sehr hoch, was ihren Gewinn bei der Ausströmgeschwindigkeit weitestgehend egalisiert.

Nach dem Start strahlt der Reaktor natürlich radioaktiv. Das ist weniger ein Problem für die Missionen – die können ja eine Abschirmung einbauen und nach Brennschluss die Stufe abtrennen. Aber wie bitte will man so Tests durchführen? Im Prinzip hat man die gleiche Problematik, wie wenn man ein Kernkraftwerk außer Betrieb nimmt und wie wir heute wissen, kostet das Milliarden Euro und man hat natürlich auch das Testgelände verstrahlt, denn der Reaktor ist ja nicht in einer Betonkuppel untergebracht.

Also nukleare Triebwerke bringen mehr Probleme als Lösungen. Wenn man Kernreaktoren heute in der Raumfahrt betrachtet, dann als Energiequellen, wo wir bei der nächsten Rubrik sind:

Ionentriebwerke oder elektrische Triebwerken

Es gibt mehrere Typen von Ionentriebwerken, die man nach dem technischen Verfahren der Ionisation benennt, wie elektrostatische Triebwerke, Hall‑Effekt‑Triebwerke oder Plasmatriebwerke. Das grundsätzliche Prinzip ist ganz einfach: Ein Arbeitsmedium wird ionisiert, also in Atomrümpfe und Elektronen aufgespaltet. Diese werden durch Magnetfelder getrennt. Die schweren Ionen beschleunigt man durch ein elektrisches Feld und entlässt sie schließlich aus dem Triebwerk – zusammen mit den Elektronen, damit sich das Raumschiff nicht auflädt.

Nach einigen Experimenten mit dem „Treibstoff“ nimmt man heute nur noch Xenon oder Krypton als Arbeitsmedium. Als Edelgase erodieren sie die Neutralisationsgitter am Triebwerksende am wenigsten. Die Betriebsdauer des Triebwerks wird durch diese Erosion begrenzt und liegt heute bei bis zu 26 000 Stunden, rund drei Jahre Dauerbetrieb. Neben dem Triebwerk braucht man meist noch einen Hochspannungstransformator, da die Beschleunigungsstufen mit hohen Spannungen arbeiten. Die Feldstärke ist allerdings trotzdem begrenzt. Das bedeutet, man kann Ionentriebwerke nicht unendlich groß bauen. Ein Triebwerk mit 20 cm Durchmesser hat typisch eine Leistungsaufnahme von 5 kW und einen Schub von 0,15 bis 0.2 N. Hätte es den Durchmesser einer Oberstufe einer Trägerrakete (4,5 m), so würde es nur 75 bis 100 N Schub liefern.

Warum ist der Schub so gering? Siehe die erste Gleichung. Ionentriebwerke haben heute Ausströmgeschwindigkeiten von 12 000 bis 44 000 m/s. Die meisten liegen zwischen 25 000 und 40 000 m/s. Einige vorgeschlagene Technologien gehen bis 100 000 m/s, und theoretisch ist eine Steigerung bis auf 200 000 m/s möglich. Darüber hinaus wird es sehr schwer, das elektrische Feld und die immer höher werdende Spannung zu erzeugen. Den Strombedarf kann man nach obiger Formel bei den Nukleartriebwerken berechnen. Würde man einen 1‑MW‑Kernreaktor als Stromquelle nutzen und ein Ionentriebwerk mit einer Ausströmgeschwindigkeit von 40 km/s einsetzen, so hätte man nur einen Schub von 50 N bei einem Durchsatz von 1,25 g/s. Real – weil der Wirkungsgrad typisch bei 60–70 % liegt – noch weniger. Und derzeit gibt es keinen einsetzbaren Kernreaktor dieser Größe.

Dafür kann man diese Triebwerke monatelang bis jahrelang betreiben. Als ich zur Raumfahrt kam, war ich von Ionentriebwerken begeistert. Heute sehe ich das erheblich nüchterner, weil ich sie simulieren kann. Im Prinzip hängt alles an der Stromversorgung. Sie macht bei einem „Antrieb“ die meiste Masse aus. Standard ist die Stromversorgung mit PV‑Zellen. Für das Gewicht wichtig ist die Leistung pro Gewicht, ausgedrückt als Watt pro Kilogramm Masse. Das hat sich in den letzten Jahrzehnten kaum verbessert. Sie liegt bei starren Modulen bei rund 80 W/kg. Dünne Solarzellen wie ausrollbare Arrays (ROSA) oder entfaltbare Arrays (Ultraflex) sind nach wie vor eine Nischenlösung und bieten vor allem Platzvorteile, aber keine Leistungsvorteile.

In der Jahrtausendwende setzte man noch Hoffnungen auf die Konzentration des Sonnenlichts. Die Raumsonde Deep Space 1 hatte Linsen aus Kunststoff das Licht direkt auf den Modulen bündeln. Bei späteren Missionen würde man dann nur einen kleinen Teil der Fläche mit PV‑Zellen belegen. Doch eine Testmission, die das erproben sollte, wurde gestrichen, und seitdem gibt es keine neuen Entwicklungen.

Das Zweite, was den Einsatz einschränkt, ist die Physik. Man kann den hyperbolischen Exzess (siehe letzter Beitrag) nicht nutzen. Um von einem LEO in eine Transferbahn zu Venus oder Mars zu gelangen, braucht man mit chemischem Antrieb wegen des hyperbolischen Exzesses nur 3,6 bis 4 km/s. Durch das Heraufspiralen brauchen Ionenantriebe dagegen 10–11 km/s. Das erhöht nicht nur den Treibstoffbedarf, sondern dauert auch viel länger. Im Sonnensystem würde der Zusatzaufwand im Verhältnis immer kleiner werden, je weiter man sich von der Sonne entfernt. Doch da PV‑Zellen mit steigender Entfernung immer weniger Strom liefern, braucht man immer länger, je weiter man hinaus will. Für den Einsatz jenseits des Asteroidengürtels braucht man Kernreaktoren, die leicht und leistungsstark sind. Diese gibt es aber nicht. Der Space Reactor 1, der 2028/29 fliegen soll und somit der neueste ist hat eine elektrische Leistung von 20 kW bei einer Masse von 1.000 bis 1.500 kg für den Reaktor, das ist ein Leistungswert von 13-20 W/kg. Zum Vergleich: herkömmliche starre Solarpaneele kommen auf 80 W/kg, biegsame Solarzellen auf 120 W/kg (versprochen werden für große Paneele bis 175 W/kg). Ein solcher Reaktor würde nur einen Vorteil bei sehr langen Reisezeiten – im Sonnensystem jenseits von Saturn bringen, weil man Solarzellen nur im inneren Sonnensystem nutzen kann und damit nur während eines kleinen Teils der Reisezeit. Der Kernreaktor könnte dagegen dauernd genutzt werden und würde so seinen Nachteil der geringen Leistung wettmachen, denn was nützen Solarzellen, wenn man sie nur über 1-2 Jahre der 10 Jahre dauernden Reise nutzen kann?

In der Erdumlaufbahn wären Ionenantriebe nützlich, um Satelliten von einem LEO in einen GEO oder Navigationsorbit zu befördern. Hier brauhct man mit dem Ionentriebwerk nur wenig mehr Energie als mit dem chemischen Antrieb. Aber hier haben die Betreiber Angst vor der einwirkenden Strahlung der Van‑Allen‑Gürtel, die durchflogen werden müssen. Bei Kommunikationssatelliten rechnet man zudem den Verlust durch die spätere Inbetriebnahme gegen die zusätzlichen Kosten einer größeren Rakete die man für den chemischen Antrieb braucht.

Übrig bleiben eine Reihe von Nischenanwendungen. Sinnvoll halte ich Ionentriebwerke heute noch für:

• Reisen ins innere Sonnensystem (Merkur, Venus), vor allem wenn man in einen Orbit einzuschwenken will, da man sich einfangen lassen kann und so keinen chemischen Antrieb braucht.
• Trips zu kleinen Körpern, die kaum Gravitationskraft haben – hier kann man mit dem chemischen Antrieb den hyperbolischen Exzess nicht nutzen. Vor allem für den Rückweg braucht man dann Ionentriebwerke.
• Bahnänderungen bei Venus und Mars – hier gibt es keinen Mond, der durch seine Gravitation die Bahn abändern könnte und einen Strahlengürtel haben die auch nicht. Eine Marsbodenprobenmission mit Rückkehrung würde besonders davon profitieren.
• Transfer von Fracht von einem LEO in eine Mondumlaufbahn, wenn man genug Zeit hat – mit chemischem Antrieb kommt maximal ein Fünftel der LEO‑Startmasse an, Ionentriebwerke können dies auf 33–50 % steigern.

Sonnensegel

Die dritte Zukunftstechnologie in dieser Rubrik sind Sonnensegel. Wie der Name schon sagt, segelt man damit. Wie bei Segeln kann man auch gegen den Wind segeln, wenn man das Segel richtig dreht. Der Antrieb ist allerdings nicht der Sonnenwind. Der Sonnenwind besteht aus Protonen und Heliumkernen, die sich mit mindestens 300 km/s von der Sonne entfernen. Die Teilchendichte ist aber gering und liegt bei 5 Teilchen pro cm³. Das sind pro Sekunde nur 3,35 × 10^–⁹ kg/km², und bei einer mittleren Geschwindigkeit von 400 km/s ist das nur ein Impuls von 0,00134 N/km². Man achte auf die Flächendimension: 1 km² sind 1.000.00 m²!

Der „Wind“ ist der Strahlungsdruck des Lichts. Photonen, die Teilchen der elektromagnetischen Strahlung, haben per Definition keine Ruhemasse. Aber sie tragen Energie und haben daher eine Masse, die sich aus ihrer Geschwindigkeit (Lichtgeschwindigkeit c = 2.997.921.458 m/s) ergibt. Es gilt der Satz über die kinetische Energie:

E = ½ m * v²

In Erdnähe ist E = 1355 W/m². Mit v = c kann man rechnen, dass die Äquivalentmasse der Lichtstrahlung pro Quadratmeter dann bei nur 3 × 10⁻¹⁴ kg liegt. Dieser niedrige Wert, der auch verantwortlich für den niedrigen Schub ist, resultiert letztendlich aus der Höhe der Lichtgeschwindigkeit.

Den Schub, den das Licht ausübt, kann man berechnen nach:

F = m * v

Mit den eingesetzten Werten sind dies 9 × 10⁻⁹ N/m². Nur zum Vergleich: Ionentriebwerke, die heute kommerziell eingesetzt werden, haben einen Schub von 0,01 bis 0,3 N. Damit eine Sonde damit überhaupt an Geschwindigkeit aufnimmt, muss die Fläche riesig sein. Ein Ionenantrieb für Antriebs‑, nicht Lageregelungszwecke, hat einen typischen Schub von 0,2 N. Man bräuchte eine Fläche von 22 125 m² – das ist ein Quadrat von 148 × 148 m –, um denselben Schub bei einem Sonnensegel zu erreichen.

Damit dies klappt, muss alles sehr leicht sein. Die Segel bestehen aus mit Aluminium (zur Reflektion) bedampfter Folie aus Mylar oder Kapton, ähnlich der Rettungsfolie. Sie wiegt minimal je nach Material als 8-12 g/m², achtmal weniger als Druckerpapier. Die Streben, die das Segel aufspannen, bestehen heute aus CFK, ebenfalls leichtgewichtig (70 g/m Länge). In den Achtzigerjahren plante man noch Missionen mit Sonnensegeln, seitdem wurden nur einige Evaluationsmissionen gestartet wie Ikaros.

Der einfache Grund: Es gab seitdem wenig, um sie leistungsfähiger zu machen. Weder wurden neue, leichtere Folien entwickelt, noch tat sich etwas bei den Streben. Rein theoretisch wäre es möglich, nach dem Bedampfen die Kunststofffolie durch Säure wegzuätzen – es bliebe der leichtgewichtige Belag übrig. Doch wie man so etwas, das dann ganz schnell reißt, entfalten soll, wurde nicht gelöst. Dass man alles einmal am Boden testen sollte, auch das Entfalten, verhindert richtig große Segel. Wo bitte gibt es ein Gebäude, in dem man ein 100 × 100 m großes Segel entfalten kann? Und das hätte dann gerade einmal den Schub eines der fünf Ionentriebwerke von Dawn.

Die Fortentwicklung von PV‑Zellen als Stromversorgung von Ionentriebwerken hat diese attraktiver gemacht. Sie wurden zwar nur moderat im Wirkungsgrad und in der Leistung pro Fläche (oder Gewicht) gesteigert, aber viel billiger: 1977 kosteten nur die PV‑Zellen für 1 kW Leistung 50 000 DM, heute kostet das fertige Paneel das Gleiche in Euro. Berücksichtigt man, dass die Zellen ja nicht ein fertiges Solarpaneel sind und die Inflation, so sind sie deutlich billiger geworden.

Im Erdorbit führt die Abbremsung durch die Erdatmosphäre dazu, dass Sonnensegel schwer kontrollierbar sind und schnell abgebremst werden. Sinnvoll erscheint eigentlich nur der Einsatz von Sonnensegeln auf einer Sonnenumlaufbahn. Anders als Ionentriebwerke kann man sie also nicht von einer Erdumlaufbahn aus starten. Dort haben sie die gleichen Einschränkungen wie Ionentriebwerke. Genauso wie die Energie des Lichts nimmt auch der Strahlungsdruck des Lichts mit der Distanz ab. Sinnvoll erscheinen sie mir nur bei Trips ins innere Sonnensystem. Hier muss man, damit die PV‑Zellen nicht überhitzen, die Paneele immer flacher zur Sonne drehen, sodass man meist nur eine feste Spitzenleistung nutzen kann, die typisch doppelt so hoch wie in Erdnähe ist.

Kapton als das am höchsten thermisch beanspruchbare Trägermaterial ist bis 240–260 °C erhitzbar. Sonnensegel können sich so bis auf 25–30 Millionen km an die Sonne annähern, bevor sie zerfallen. Noch bedeutsamer: Man wird immer schneller, je näher man sich der Sonne nähert. Ich sehe daher eine Nische für Sonnenmissionen wie den Solar Orbiter und die Parker Solar Probe oder für Missionen zu Venus und Merkur.

Ich habe einmal eine kleine Simulation durchgeführt. Ein Sonnensegel könnte die Raumsonde BepiColombo schneller zu Merkur befördern als der Ionenantrieb. Swing‑bys wären auch nicht nötig. Damit das klappt, müsste man aber schon beim Start die Bahn Richtung Sonne lenken. Das Problem: Die Differenz zwischen Aphel und Perihel bleibt erhalten, anders als beim Ionenantrieb. Von Merkur einfangen kann man sich so nicht lassen, außer man startet zuerst Richtung inneres Sonnensystem und zirkularisiert dann den Orbit.