Neuer Plasmaantrieb mit atmosphärischem Gas entwickelt

Der Forscher Francesco Romano von der Universität Stuttgart hat einen experimentellen Plasmaantrieb entwickelt, der die dünne Erdatmosphäre als Treibstoff nutzen kann. Laut ixbt.com könnte diese Technologie es Satelliten ermöglichen, jahrelang in extrem niedrigen Umlaufbahnen ohne Xenon-Reserven zu operieren. Dies berichtet Ixbt.com Nachrichten.

Diese Entwicklung gehört zur Klasse des Atmosphere-Breathing Electric Propulsion (ABEP). Das Funktionsprinzip basiert darauf, dass der Satellit während des Fluges Moleküle und Atome aus den oberen Schichten sammelt und ionisiert. Das erzeugte Plasma wird mittels eines elektromagnetischen Feldes beschleunigt, wodurch ein reaktiver Schub entsteht.

Vorteile der neuen Technologie

Solche Antriebssysteme sind besonders für sehr niedrige Erdumlaufbahnen in Höhen von 100–450 km von großem Interesse. Je näher ein Satellit der Erde ist, desto detailliertere Bilder kann er aufnehmen, während Radar- und Kommunikationssysteme weniger Energie benötigen. Zudem nach Abschluss der Mission verlässt das Gerät die Umlaufbahn schneller, was die Menge an Weltraummüll reduziert.

Das Hauptproblem bei VLEO-Umlaufbahnen ist jedoch der Widerstand der Restatmosphäre. Selbst in solchen Höhen werden Satelliten allmählich abgebremst und müssen den Geschwindigkeitsverlust ständig durch den Verbrauch von Treibstoff ausgleichen. Das neue Gerät schlägt vor, genau das dünne Gas, das diesen aerodynamischen Widerstand verursacht, als Treibstoff zu verwenden.

Technische Herausforderungen und Lösungen

Das schwierigste Hindernis erwies sich als atomarer Sauerstoff, eine hochaktive Komponente der oberen Atmosphäre, da er dazu neigt, Elektroden, Kathoden und andere Elemente herkömmlicher Plasmaantriebe zu korrodieren. Um dieses Problem zu lösen, entwickelte Romano einen kontaktlosen Hochfrequenz-Helikon-Antrieb ohne externen Neutralisator. Das Magnetfeld formt den quasi-neutralen Plasmastrom, was den Verzicht auf eines der anfälligsten Elemente ermöglicht.

Besonderes Augenmerk wurde im Rahmen des Projekts auch auf die Entwicklung eines Lufteinlasssystems gelegt. Von den drei getesteten Varianten erwies sich die Konstruktion mit einer reflektierenden parabolischen Oberfläche als am effizientesten. Während der Experimente sammelte sie etwa 94,3 % der einströmenden atomaren Sauerstoff-, Stickstoff- und Argonpartikel.

Zur Plasmaerzeugung wird eine Birdcage-Antenne verwendet, die vom Design medizinischer MRT-Antennen inspiriert ist. Bei Tests wurde festgestellt, dass bis zu 99 % der übertragenen Hochfrequenzleistung in die Plasmaerzeugungszone des Motors geleitet wurden.

In einer Vakuumkammer erzeugte das Gerät stabil Plasma bei einer Leistung von nur 50–60 W. Wissenschaftler modellierten die Zusammensetzung und Konzentration der Gase, die für die obere Erdatmosphäre typisch sind. Berechnungen zeigen, dass ein vollwertiger Satellit, der mit einem solchen Antrieb ausgestattet ist, in der Lage wäre, eine Umlaufbahn in einer Höhe von 190–250 km mit weniger als 1,6 kW elektrischer Energie zu halten, die von Solarpaneelen bereitgestellt werden kann.