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Lokales Ionentriebwerk der TU Dresden hilft Kleinstsatelliten bald durchs All
Dresden Lokales Ionentriebwerk der TU Dresden hilft Kleinstsatelliten bald durchs All
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10:14 31.12.2017
Doktorand Daniel Bock und Institutsdirektor Martin Tajmar bringen ihr Triebwerk bald ins All. Getestet wird in einer 100 000 Euro teuren Vakuum-Kammer.  Quelle: Fotos (2): Anja Schneider
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Dresden

 Martin Tajmar hat ein klares Ziel vor Augen: „Wir wollen irgendwann einmal die erste interstellare Raumsonde entwickeln“, erklärt der Raumfahrtprofessor von der TU Dresden. Zwar muss der Direktor des Institutes für Luft- und Raumfahrttechnik bei der Formulierung seines Planes etwas schmunzeln. Doch wer wisse schon, „wo man in 20 Jahren mit der Forschung und Entwicklung ist“, erklärt der 42-Jährige.

Mit Hilfe seines aktuellen Projektes lässt sich zwar noch keine Rakete bis zum nächsten Sonnensystem schießen, dafür könnte das neue Mini-Ionentriebwerk der TU Dresden für eine Revolution bei der Verwendung von Kleinstsatelliten sorgen. Bisher haben die Boxen von der Größe einer Müsli-Packung nur experimentellen Charakter und spielen in der kommerziellen Raumfahrt keine große Rolle. Das das wird sich bald ändern, ist sich Tajmar sicher.

Er sieht in den Kleinstsatelliten großes Potenzial für die Zukunft. Sensoren, Kameras und Bauteile würden immer kleiner und effektiver – so könnten die winzigen Raumfahrzeuge bald viele Aufgaben übernehmen, die bisher noch von ihren bis zu hundertfach größeren Artgenossen ausgeführt werden. Ein weiterer Vorteil: mit herkömmlichen Sojus- oder Ariane-Raketen können bis zu Einhundert solcher kleinen Exemplare mit einem einzelnen Start ins All gebracht werden.

Doktorand Daniel Bock und Institutsdirektor Martin Tajmar bringen ihr Triebwerk bald ins All. Getestet wird in einer 100 000 Euro teuren Vakuum-Kammer. Quelle: Anja Schneider

Doch noch haben die sogenannten Pico-Satelliten ein großes Problem: Im Gegensatz zu den konventionellen Modellen, die durch gasbetriebene Triebwerke ihre Flugbahn stabilisieren und notfalls auch anpassen, können Kleinstsatelliten noch nicht gesteuert werden und sind dadurch in Ihrer Anwendung und Lebensdauer stark begrenzt.

Das macht sie für viele Anwendungsgebiete noch unbrauchbar. „Die Satelliten werden in der Regel einfach nur in eine Umlaufbahn gebracht und dort ausgeworfen. Dann funktionieren sie für einige Monate, bis sie abdriften“, erklärt Daniel Bock, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl von Tajmar.

Und genau hier kommen die winzig kleinen Ionentriebwerke ins Spiel, die der Doktorand in Zusammenarbeit mit dem Institutsdirektor Tajmar entwickelt hat. Sie sollen es erstmals ermöglichen, einen Kleinstsatelliten zu steuern. Sogar eine Veränderung der Flughöhe und der Umlaufbahn ist denkbar, auch wenn das vermutlich einige Zeit in Anspruch nehmen würden. „Der Flaschenhals der Technologie ist ganz klar die vorhandene Energie“, erklärt Tajmar.

Weil an Board der Flugkörper oft nur eine Leistung im Wattbereich herrscht, muss auch das Ionentriebwerk damit auskommen. Bei der sogenannten Flüssigmetall-Feldemissionstriebwerkstechnologie (FEEP) wird ein Strahl aus Ionen erzeugt, dessen Beschleunigung das Raumfahrzeug antreibt. Der große Vorteil: Als „Treibstoff“ wird nur eine geringe Menge Metall benötigt, im Fall von Bocks Triebwerk Gallium. Das wird bei einer Temperatur von rund 30 Grad Celsius verflüssigt und an einer Art dünnen Nadel in Richtung Triebwerksausgang kanalisiert. Dort werden die Metallteilchen dann ionisiert und durch ein elektrisches Feld beschleunigt.

„Unser Anspruch bei der Entwicklung war: ’so klein und effektiv wie möglich’“, erklärt Daniel Bock. In dem gerade mal zwei Zentimeter großen Triebwerk sind alle notwendigen Komponenten verbaut – inklusive 0,25 Gramm Gallium als Treibstoff. Das reiche für etwa 2000 Betriebsstunden, so der Doktorand. Er sieht auch einen großen Vorteil seines Ionentriebwerks gegenüber konventionellen Antrieben. So gebe es weder eine Zündung, noch einen Verbrennungsvorgang. Damit lasse sich das Triebwerk auf den Punkt regulieren und ein- und abschalten. „Wir erhoffen uns davon höchste Präzision.“ Doch die Kraft des Triebwerks liege nur im Mikro-Newton-Bereich, der Schub sei daher entsprechend gering. Trotzdem reiche das aus, um Kleinstsatelliten zuverlässig steuern zu können – so zumindest in der Theorie.

Denn seit den 60er Jahren werden immer wieder Anläufe unternommen, FEEP Triebwerke für Satelliten zu entwickeln. „Doch bisher waren die Triebwerke entweder wesentlich Leistungsstärker und somit nicht für Kleinstsatteliten geeignet oder es gab keine Fluggelegenheit. Auch wurden solche Triebwerke bisher für andere Zwecke eingesetzt, zum Beispiel als Ladungskompensatoren auf der NASA Mission MMS“, so Tajmar. Er selbst arbeitet seit 25 Jahren an dieser Technologie und sieht sich nun endlich am Ziel. Als der Österreicher 2012 von Wien nach Dresden wechselte, versprach er seinem Doktorvater: „Ich werde das Triebwerk ins Weltall bringen“. Und das steht nun kurz bevor. Denn gleich zwei Universitäten haben ihre neuesten Kleinstsatelliten mit den Mini-Ionentriebwerken von Bock und Tajmar ausgestattet. Im Frühjahr startet „SNUSat2“ der Seoul National University in Richtung Weltraum. „Die Triebwerke sind schon ausgeliefert, wir warten gespannt auf die Auswertungsergebnisse“, erklärt der Institutsdirektor.

Führend in Deutschland auf dem Bereich Kleinstsatelliten ist die Universität Würzburg, die bereits mehrere Exemplare der Reihe „UWE“ ins All geschossen hat und zukünftig ein regelrechtes Netzwerk aus Mini-Satelliten plant. Ihr aktuelles Modell, „UWE4“, wird auch mit Ionentriebwerken aus Dresden ausgestattet sein. Doch auch an der TU selbst arbeitet man am nächsten Kleinstsatelliten. Nachdem bereits 2013 und im April dieses Jahres die Exemplare „Somp“ und „Somp2“ erfolgreich ins All geschickt worden waren, baue man gerade schon am Nachfolger, verrät Tajmar.

Von Sebastian Burkhardt

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