Eine neue Schubtechnologie für Nanosatelliten könnte sie effizienter machen

Ein Bild einer abhebenden Rakete

Ein Bild einer abhebenden RaketeNASA



Bereits 1964 startete die Sowjetunion ein Raumschiff namens Zond 2 zum Mars. Seine Mission war es, den Roten Planeten zu umkreisen, die Oberfläche zu fotografieren, nach Anzeichen von Methan in der Atmosphäre zu suchen und ein Raumschiff zur Landung auf der Oberfläche freizusetzen.

Aber einige Monate nach dem Start fiel die problematische Stromversorgung von Zond 2 aus. Die Sowjets verloren den Kontakt mit dem Schiff und hörten nie wieder etwas davon. Heute wird die Mission weitgehend als Fehlschlag angesehen – einer von vielen, wenn es um den Mars geht.





Aber Zond 2 hatte ein anderes Ziel. Das Raumfahrzeug war mit sechs revolutionären Triebwerken zur Lageregelung ausgestattet. Diese als Plasmastrahltriebwerke bekannten Geräte wurden noch nie im Weltraum eingesetzt. Aber während verschiedener Tests nach dem Start hat Zond 2 bewiesen, dass sie funktionieren können.

Seitdem haben sich verschiedene Raumfahrzeuge auf diese Antriebsform (und auf eine etwas andere Form mit Ionentriebwerken) verlassen. Diese Triebwerke haben gegenüber herkömmlichen Chemieraketen erhebliche Vorteile, da sie einfacher, leichter und effizienter sind.

Sie sind auch deutlich kleiner als chemische Triebwerke. Das macht sie für die Hersteller von Nanosatelliten nützlich – den immer häufiger vorkommenden Raumfahrzeugen mit einer Masse von weniger als 10 Kilogramm, die oft kaum größer als ein Zauberwürfel sind.



Aber Plasmaschubmotoren sind nicht perfekt. Das Treibmittel an Bord in Plasma umzuwandeln und seinen Fluss zu kontrollieren, kann eine heikle Angelegenheit sein, die Energie verschwendet und manchmal sogar den Motor selbst beschädigt. Daher ist es für Hersteller kleiner Satelliten von großem Interesse, Wege zur Verbesserung von Plasmaschubmotoren zu finden.

Hier Adam Patel und Kollegen von der Purdue University in West Lafayette, Indiana. Diese Jungs haben ein neues Design für ein Plasma-Triebwerk entwickelt, das genauso klein wie seine Vorgänger ist und das Potenzial hat, noch zuverlässiger und effizienter zu sein.

Zunächst einige Hintergrundinformationen über das Treibmittel, auf das Plasmatriebwerke angewiesen sind. Die meisten verwenden ein festes Treibmittel wie Polytetrafluorethylen, auch bekannt als Teflon. Das ist einfach zu lagern, aber um verwendet zu werden, muss es verdampft werden, indem ein Strom durch die Oberfläche geleitet wird.

Der Dampf wird dann gezündet, wodurch ein Überschlag entsteht, der ihn in ein Plasma verwandelt. Das Plasma durchläuft dann ein elektromagnetisches Feld, wo es eine Beschleunigungskraft erfährt, die das Raumschiff in die entgegengesetzte Richtung treibt.



Das Problem ist, dass diese Ablation ein Hit-and-Miss-Prozess ist. Die Rate ist schwierig zu steuern, und dies kann den Schub ungleichmäßig machen. Außerdem bricht die Teflonoberfläche manchmal zusammen und stößt Ablagerungen in Form von Makropartikeln aus, die den Motorbetrieb stören.

Außerdem kann der Zünder, der den Flashover-Prozess auslöst, mit der Zeit beschädigt werden. All diese Probleme begrenzen letztendlich den Wirkungsgrad der Festbrennstoff-Plasma-Triebwerke auf weniger als 15 %.

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Eine Möglichkeit, dies zu umgehen, besteht darin, das Treibmittel als Gas zu speichern und seine Freisetzung mit einem Gasinjektionssystem zu steuern. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad des Motors um bis zu 70 %. Aber diese Systeme sind sperrig und komplex, und das Gas selbst hat ein deutlich größeres Volumen als eine äquivalente feste Masse. Das erschwert den Einbau in einen Nanosat.

Jetzt sagen Patel und Co, dass sie diese Probleme mit einem flüssigen Treibmittel beheben können. Ein flüssigkeitsgespeister Impulsplasma-Triebwerk könnte möglicherweise mehrere Nachteile überwinden, die mit herkömmlichen Impulsplasma-Triebwerken verbunden sind, sagen sie.

Flüssigplasma-Mikrotriebwerk

Tatsächlich haben sie ein Proof-of-Principle-Mikroantriebssystem gebaut, das mit Flüssigkeit gespeist wird, und es in einer Vakuumkammer auf Herz und Nieren geprüft. Als Treibmittel verwenden sie Pentaphenyltrimethyltrisiloxan (C33H34O2Si3), eine viskose Flüssigkeit mit niedrigem Dampfdruck, die auch ein hervorragendes Dielektrikum ist.

Das Team entwarf auch ein neues Niedrigenergie-Zündsystem. Diese besteht aus zwei Plattenelektroden, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. Es funktioniert, indem die Spannung über den Platten auf einen Schwellenwert erhöht wird, bei dem das Dielektrikum verdampft und zu Plasma wird.

In diesem Fall ist das Dielektrikum das flüssige Treibmittel. Das Plasma tritt dann in die elektromagnetischen Felder ein, wo es beschleunigt wird.

Der Vorteil dieser Art von Zündern ist, dass die Schwellenspannung immer gleich ist und somit der Energiebedarf für den Überschlag immer begrenzt ist. Dies begrenzt die potenzielle Beschädigung der Überschlagsbaugruppe im Laufe der Zeit.

In Tests verwendeten Patel und Co. den Zünder für mehr als 1,5 Millionen Überschlagsereignisse, ohne dass eine signifikante Beschädigung des Geräts festgestellt wurde. Andere Designs können manchmal nach nur 400 Brennzyklen versagen.

Patel und Co. fuhren fort, die Plasmaausstoßgeschwindigkeit bei 32 Kilometern pro Sekunde zu messen. Daraus errechneten sie, dass der Motor einen respektablen Schub von bis zu 5,8 Newton erzeugt.

Das ist ein solider erster Schritt in Richtung besserer Mikroantriebssysteme für Nanosatelliten.

Es steht jedoch noch weitere Entwicklungsarbeit bevor. Eine wichtige Aufgabe wird es sein, ein einfaches Flüssigkeitszufuhrsystem zu entwerfen und zu bauen, das in der Schwerelosigkeit zuverlässig funktioniert. Bei diesen Experimenten injizierten die Forscher die Flüssigkeit per Hand mit einer Spritze in den Zünder.

Es ist nicht schwer vorstellbar, wie das automatisiert werden könnte, aber Flüssigkeiten sind bei null G notorisch schwer zu kontrollieren. Daher werden Patel und Co. ihre Arbeit ausschneiden müssen, um ein einfaches System zu entwickeln, auf das sich Satellitenhersteller verlassen können. Aber darin liegt eine andere Geschichte.

Patel und Co haben sicherlich größere Ambitionen für ihr Gerät. Die Ergebnisse dieses Papiers liefern wertvolle Informationen, um die Entwicklung eines flugfertigen, mit Flüssigbrennstoff betriebenen Impulsplasma-Triebwerks zu ermöglichen, sagen sie. Es wird interessant sein zu sehen, wie sie das machen.

Ref: arxiv.org/abs/1907.00169 : Flüssigkeitsgespeistes gepulstes Plasma-Triebwerk zum Antrieb von Nanosatelliten

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