Antriebe für Raumfahrzeuge : Höher, schneller, weiter

Raumsonden müssen große Entfernungen bewältigen. Neue Antriebstechniken sollen die Reisezeit verkürzen. Dabei kommt Nukleartechnik ebenso infrage wie filigrane Sonnensegel.

von
Ökoflieger im All. Sonden mit einem Solarsegel nutzen den Strahlungsdruck der Sonne. Foto: Nasa
Ökoflieger im All. Sonden mit einem Solarsegel nutzen den Strahlungsdruck der Sonne.Foto: Nasa

Rund drei Tage brauchten die „Apollo“-Raumschiffe vor knapp einem halben Jahrhundert zum Mond. Wenn sich in einigen Jahren erneut amerikanische Astronauten – oder chinesische Taikonauten – auf den Weg zum Erdtrabanten machen, werden sie kaum schneller sein. Die Antriebstechnik hat sich kaum weiterentwickelt. Immer noch treiben vor allem chemische Treibstoffe Raumschiffe und Raumsonden an.

Doch zum Mond ist es nur ein Katzensprung, verglichen mit den Entfernungen im Sonnensystem. Eine bemannte Mission zu unserem Nachbarplaneten Mars würde mit einem konventionellen Antrieb etwa 250 Tage brauchen, allein für den Hinflug. Und das ist ein gewaltiges Problem. Zwar können Astronauten einen derart langen Aufenthalt im All sowohl physisch als auch psychisch durchstehen, wie Langzeitaufenthalte auf der Internationalen Raumstation ISS zeigen.

Doch die ISS kreist auf einer engen Umlaufbahn um die Erde und ist so durch die Magnetosphäre unseres Heimatplaneten vor einem Großteil der gefährlichen kosmischen Strahlung geschützt. Dieser Schutz fällt im interplanetarischen Raum weg. „Die Strahlungsdosis ist vergleichbar mit einer Ganzkörper-CT alle fünf oder sechs Tage“, erläutert Cary Zeitlin vom Southwest Research Institute in Boulder (Colorado). Eine Rundreise zum Mars würde damit das Risiko einer tödlichen Krebserkrankung um etwa drei Prozent erhöhen.

Da eine stärkere Abschirmung kaum möglich ist – das Raumschiff wäre zu schwer –, bliebe nur eine Verkürzung der Reisezeit, um die Strahlungsgefahr zu verringern. Damit rückt eine Technik ins Blickfeld, über die Raumfahrtexperten seit Jahrzehnten diskutieren: der Nuklearantrieb. Bereits in den 1950er Jahren entwarfen amerikanische Forscher ein Verfahren, Raumschiffe durch schnell aufeinanderfolgende Kernexplosionen anzutreiben. Dieses aus heutiger Sicht geradezu grotesk anmutende Verfahren wäre jedoch, wenn überhaupt, erst in ferner Zukunft für Reisen zwischen den Sternen geeignet.

Für Flüge zum Mars und anderen Zielen im Sonnensystem könnte dagegen gebändigte Kernenergie zum Einsatz kommen. Ein kleiner Kernreaktor, so die Vorstellung, erhitzt Wasserstoff auf hohe Temperaturen, der sich dadurch rasant ausdehnt, mit hoher Geschwindigkeit durch eine Düse herausschießt und so das Raumschiff antreibt. „Mit den heute verwendeten Treibstoffen sind für uns Menschen Reisen außerhalb des erdnahen Raums nahezu unmöglich“, sagt John Slough von der Universität von Washington. Der Raumfahrtwissenschaftler arbeitet für die Nasa an der Entwicklung eines Nuklearantriebs auf Fusionsbasis. „Wir hoffen, eine Energiequelle zu entwickeln, mit der interplanetarische Reisen geradezu alltäglich werden können.“ Mit einem Nuklearantrieb wäre ein bemannter Flug zum Mars innerhalb von 30 Tagen möglich.

Näher an der Umsetzung ist ein anderer Raumschiffmotor, der magnetoplasmadynamische Antrieb. Unter der Bezeichnung „Vasimir“ entwickelt das amerikanische Unternehmen Ad Astra einen Prototypen, der bereits ab dem nächsten Jahr an der ISS getestet und zur Stabilisierung der Flugbahn in rund 400 Kilometern Höhe eingesetzt werden soll. Eine starke elektrische Spannung erzeugt bei diesem Antrieb ein Plasma, also ein elektrisch geladenes Gas, das dann durch ein Magnetfeld mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen wird. Für Kurskorrekturen der ISS mit Vasimir reicht die von den großen Sonnenkollektoren gelieferte Spannung aus. Um aber eine Raumsonde oder ein bemanntes Raumschiff auf hohe Geschwindigkeiten zu bringen, ist eine stärkere Energiequelle nötig. Auch hier müsste dann wieder ein Kernreaktor zum Einsatz kommen.

Insbesondere für unbemannte Missionen, bei denen die Zeit oft keine wichtige Rolle spielt, ist deshalb eine Alternative attraktiv, die keine starke Energiequelle an Bord benötigt. Das Sonnensegel – nicht zu verwechseln mit Solarpanels, wie sie die ISS und zahlreiche Satelliten tragen. Das Segel nutzt tatsächlich den Druck der Sonnenstrahlung aus. Mit der japanischen Sonde „Ikaros“ gelang vor drei Jahren der experimentelle Nachweis, dass sich ein solches Segel tatsächlich zu Beschleunigung und Steuerung eines Raumfahrzeugs einsetzen lässt. Allerdings ist der Druck, den die Sonnenstrahlung ausübt, außerordentlich klein. Deshalb sind große Segel aus extrem dünnem Material nötig. Die größte technische Hürde ist deshalb die Entfaltung und Stabilisierung des Segels im All.

Technisch einfacher ist das elektrische Segel. Die Raumsonde spult dabei ein oder mehrere lange Kabel ab, die unter elektrische Spannung gesetzt werden. Das damit um die Sonde erzeugte elektrische Feld lenkt die ebenfalls elektrisch geladenen Partikel des Sonnenwinds wie ein mechanisches Segel ab und erzeugt so den gewünschten Vortrieb. Derzeit testen finnische Forscher den Prototyp eines solchen Antriebs mit dem kleinen estnischen Satelliten „ESTCube-1“.

In großem Maßstab angewendet, könnte ein elektrisches Segel deutlich höhere Beschleunigungen erreichen als ein Sonnensegel, allerdings nur für relativ kleine Nutzlasten. Der Antrieb eignet sich deshalb einerseits für schnelle, kleine Sonden zu fernen Planeten, andererseits für größere Nutzlasten, bei denen es nicht auf die Reisezeit ankommt. Schnelle bemannte Flüge durch das Sonnensystem sind weder mit einem Sonnensegel noch mit einem elektrischen Segel möglich. Hier bleibt nur der nukleare Antrieb.

13 Kommentare

Neuester Kommentar
      Kommentar schreiben