Antriebe ohne Treibstoff

 

Shuttlemissionen STS-46 und STS-75 bei der Erprobung des

Tethered Satellite Systems“ (TSS)

Antriebe ohne Treibstoff in der Raumfahrt

 

Antriebe ohne Treibstoff – Im folgenden werden Antriebsmethoden vorgestellt, bei denen der Raumflugkörper selbst keinen Treibstoff verbraucht. Da er durch die unten genannten Methoden trotzdem eine Geschwindigkeitsänderung erfährt, ist der spezifische Impuls stets unendlich.

 

Sonnensegel – Antriebe ohne Treibstoff

Sogenannte Sonnensegel befinden sich in der Entwicklung und sollen sich den Effekt des Strahlungsdrucks zunutze machen. Mit einem großen Segel werden elektromagnetische Strahlung einfangen und davon angetrieben. Der Schub wäre dabei minimal und nähme mit der Entfernung von der Strahlungsquelle quadratisch ab.  Dies bliebe ohne Treibstoffverbrauch stetig, solange der Einfluss von Strahlungsquellen mit dem Segel genutzt wird. Bei einem Lasersegel wird mit einem Laserstrahl auf das Segel gezielt.

Tether – Antriebe ohne Treibstoff

Tethers sind lange Seile, die im Weltall rechtwinklig zum Magnetfeld eines Planeten ausgelegt werden. Bewegt sich ein elektrischer Leiter durch ein Magnetfeld, wird in ihm Spannung induziert. Somit kann sich ein Satellit, der lange Tethers auslegt, darüber mit Energie versorgen. Der Nutzen dieses Effekts wird allerdings dadurch eingeschränkt, dass der Leiter der Spannungsinduzierung, selbst ein dem Erdmagnetfeld entgegengesetztes Feld erzeugt.

Dadurch kommt es zu einer Abbremsung des gesamten Systems aus Raumflugkörper und Tether (Lenzsche Regel). Dementsprechend kann ein Tether, durch den ein starker Strom fließt, auch zur Beschleunigung eines Satelliten beitragen. Dies geschieht durch einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld, auf dem die Lorentzkraft wirkt.

Untersuchungen zeigen, dass solche elektrischen Tether trotz nur langsamer Bahnänderungen aufgrund der Treibstoffersparnis effektiv sein können.  Deshalb sind sie auch geeignet, Satelliten zu beschleunigen oder abzubremsen. Ebenfalls ist es mit Tethers möglich, Satelliten „abzuseilen“.

Trägerschiffe – Antriebe ohne Treibstoff

Zur Reduzierung der benötigten Starttreibstoffmassen gibt es Konzepte, Trägerflugzeuge zur Beförderung des Raumschiffes in eine gewisse Höhe zu nutzen. Ebenfalls denkbar sind Höhenballons.

Weltraumkanone – Antriebe ohne Treibstoff

Als Transportmöglichkeit in den Orbit werden auch ballistische Methoden diskutiert und erforscht. Die Idee basiert ursprünglich auf Jules Vernes Vision der Weltraumkanone in Von der Erde zum Mond. Das „Geschoss“ muss hierfür weitgehend beschleunigungsresistent sein. Vorteile gegenüber Raketentechnik wären deutlich reduzierte Kosten über einen höheren Nutzlast-Anteil. Da keine bzw. wenig hochexplosiver Raketentreibstoff mitgeführt werden, verringert sich das Unfallrisiko.

Eines der ersten Projekte war das HARP-Projekt von Gerald Bull, bei dem mit optimierter Artillerie-Technik 3 km/s Maximalgeschwindigkeit und 180 km Höhe erreicht wurden. Das heißt also dass bereits ein Suborbitaler Flug (Kármán-Linie) stattfand. Ein Nachfolgeprojekt der 1990er, SHARP, arbeitete mit Leichtgaskanonen-Technik und peilte Maximalgeschwindigkeiten von 7 km/s an. Nach dem Ende des finanzierten SHARP-Forschungsprojekt wurde von Projektmitarbeitern die Firma Quicklaunch gegründet. Die Aufgabe war der Versuch diese Technik weiterzuentwickeln und zu kommerzialisieren. Auch die Railgun-Technologie wird in Erwägung gezogen.

Weltraumlift – Antriebe ohne Treibstoff

Ein weiterer Vorschlag ist der eines Weltraumliftes, einer Art Aufzug, welcher, am Erdboden beginnend, aus der Erdatmosphäre heraus bis in den Weltraum führen soll. Nachdem im Jahr 1895 das (nach heutiger Auffassung technisch unmögliche) Errichten eines Turmes (engl. space fountain) bis in den Weltraum vorgeschlagen war, wurde die 1957 zum Weltraumlift (engl. space elevator) abgewandelte Idee in den letzten Jahren wissenschaftlich zahlreich betrachtet.

Das Konzept beinhaltet in heutigen Ausführungen ein festes Seil, das auf der Erdoberfläche verankert würde und an dessen anderem Ende ein Gewicht knapp oberhalb der geostationären Umlaufbahn hinge, wobei die Zentripetalkraft das Seil strammzöge und einen daran auf- und abfahrenden Aufzug ermöglichen sollte. Ein zentrales Problem ist die Festigkeit des Seiles – die Festigkeitswerte konnten jedoch in letzter Zeit deutlich verbessert werden. Beispielsweise Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren erreichen die notwendigen Festigkeitswerte.

Elektromagnetisches Katapult – Antriebe ohne Treibstoff

Es gibt einen wissenschaftlichen Vorschlag für ein elektromagnetisches Katapult (engl. mass driver). Ein solches elektromagnetisches Katapult kann nach dem Prinzip einer Coilgun oder Railgun im größeren Maßstab funktionieren: Das abzuschießende Objekt wird auf einer Startvorrichtung, beispielsweise einer Schienenform, befestigt, und darauf beschleunigt, bis es am Ende der Vorrichtung zum freien Flug kommt. Alternativ kann auch ein Magnetschwebebahn-Verfahren zum Einsatz kommen. Ein elektromagnetisches Katapult kann zum Beispiel von der Mondoberfläche Satelliten und Raumfahrzeuge in die Mondumlaufbahn befördern. Die ESA untersucht ein System mit einem Raketenschlitten als Starthilfe für Hopper.

Magnetsegel – Antriebe ohne Treibstoff

Bei Magnetsegeln werden magnetische Felder erzeugt, um die geladenen Partikel des Sonnenwindes abzulenken, um ein Raumfahrzeug anzutreiben. Es kann sich dabei sowohl um ein statisches magnetisches Feld, das beispielsweise durch einen fest am Raumfahrzeug installierten Supraleiter erzeugt werden kann, als auch um den Magnus-Effekt nach dem Prinzip des Flettner-Rotors nutzende bewegliche Anordnungen eines oder mehrerer Magnete handeln.

Auch per Leistungselektronik geschaltete dynamische Konfigurationen sind vorstellbar. Mit einem Magnetsegel ist es auch möglich, sich von der Magnetosphäre eines Planeten anziehen oder abstoßen zu lassen. Ebenso ist es möglich,Ströme in das aufgefangene Plasma einzubringen, um das Magnetfeld zu verformen und zu verstärken. Dieser Ansatz wird M2P2 (Mini-Magnetospheric Plasma Propulsion) genannt. Ein weiterer Ansatz besteht darin, einen Plasmastrahl auf das Raumfahrzeug zu schießen. Dieser Ansatz ähnelt dem Laser-Materie-Segel und wird MagBeam genannt.

Materiesegel – Antriebe ohne Treibstoff

Ein Materie-Strahler, z. B. ein Teilchen-Linearbeschleuniger, ruht auf einer großen Masse (Mond, Asteroid). Von hier aus zielt ein gut gebündelter Teilchenstrahl auf das Materiesegel des Raumschiffes und beschleunigt dieses dadurch. Da die Geschwindigkeit des Teilchenstrahls an die Geschwindigkeit des Raumschiffs angepasst werden kann (maximale Impulsübertragung), ist die Energieeffizienz wesentlich höher als beim Lasersegel. Zudem kann ein Teil des Materiestroms vom Raumschiff aufgefangen werden. Das Raumschiff kann mit leeren „Treibstofftanks“ starten und füllt diese während der Beschleunigung. Am Zielort angelangt, könnte es mit diesem aufgesammelten Treibstoff bremsen.

Mikrowellen-Antrieb

In einem asymmetrischen Hohlraum wird innerer elektromagnetischer Strahlungsdruck aufgebaut. Daraus soll eine Kraft resultieren. Als Funktionsgrundlage wird eine Wechselwirkung der Strahlung innerhalb eines Hohlraumes (oder einer Kavität) mit dem Quantenvakuum vermutet. Am 28. Juli 2014 veröffentlichte die NASA einen Bericht, bei dem eine Kraft gemessen wurde. Die gleiche Kraft wurde aber auch bei einem Kontrollgerät gemessen, bei dem keine Kraft erwartet wurde. Die Versuchsanordnung entsprach dabei der Variante des Cannae-Antriebs – dem Entwickler oder Erfinder Guido Fetta nach angeblich nach der Schlacht von Cannae benannt.

Das Wandmaterial der im Wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebauten scheibenförmigen Kavität wird dabei von außen mit Helium bis zur Supraleitung gekühlt. Als elektromagnetische Hohlraumstrahlung wird Mikrowellenstrahlung eingebracht (daher auch die Bezeichnung Mikrowellen-TriebwerkMikrowellen-Antrieb oder Mikrowellenantrieb und darüber hinaus − je nach Bauart und Entwickler oder Erfinder − auch [englisch] EmDrive), zusätzlich wird ein Elektronenstrom im ansonsten leeren oder entleerten (evakuierten) Hohlraum erzeugt. Durch die Lorentzkraft eines ringförmig geschlossenen Magnetfeldes wird das in der Kavität strömende Elektronengas ohne Wandberührung umgelenkt.

Die Asymmetrie des inneren Strahlungsdrucks soll durch Unterschiede zwischen der Form der Ober- und Unterseite des scheibenförmigen Hohlraums und durch die unterschiedliche radiale Strömungsrichtung des Elektronengases, je nach Seite jeweils von innen nach außen beziehungsweise von außen nach innen, hervorgerufen werden. Ob und wie ein dem Impulserhaltungssatz entsprechender Impulsaustausch über das Quantenvakuum mit dem umgebenden Universum stattfindet, ist unbekannt.

Chinesische Forscher behaupteten im Jahr 2010, den bisher (2014) stärksten Antrieb dieser Art in der Variante des „EmDrive“ mit 720 Millinewton Schub gemessen zu haben. Dieser Antrieb hat die Form eines hohlen Kegelstumpfes, in dem von außen kommende Mikrowellen gefangen sind. Der „EmDrive“ verbraucht dabei weniger elektrische Energie als ein Typ von Ionentriebwerken– der außerdem noch weniger Schub hat als von den chinesischen Forschern angegeben.

Das britische Raumfahrtunternehmen Satellite Propulsion Research (SPR) – welches 2001 durch den Entwickler Roger Shawyer gegründet wurde – und das amerikanische Unternehmen Escape Dynamics (mit dem es 2015 Gespräche gab) beschäftigen sich mit der Entwicklung neuartiger Triebwerke, zudem gab es auch Gespräche mit EADS Astrium.

Bereits in den 1950er und 1960er Jahren wurden erste Entwürfe mit Flugscheiben angefertigt. Diese mit dem Mikrowellen-Antrieb ausgerüsteten Flugscheiben sollten sich mit einer bis zu 25fachen Schallgeschwindigkeit (Mach 25) fortbewegen. Weitere Versuche wurden jedoch lange Zeit unterlassen, da das Verständnis wie die Mikrowellen in Schub umgewandelt werden fehlte und das Ganze daher als zu esoterisch abgetan wurde.

Anmerkungen

Autorenliste Wikipedia

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