Zeit für Raumfahrtabenteurer

Raketentechnische Visionen im Zeitraffer - Teil 2

Für die Entwicklung privater Raumfahrtprogramme wurde ein Preis mit Namen "X-Prize" ausgesetzt. Am 4. Oktober hat der amerikanischen Luftfahrtingenieur Burt Rutan diesen internationalen Wettbewerb mit seinem StarShipOne gewonnen und das Preisgeld von 10 Millionen US-Dollar erhalten (Start ins Zeitalter des Weltraumtourismus?). Der Preis ging an das erste privat finanzierte Raumschiff, das mit einer Besatzung (bzw. Gewicht) von 3 Personen in eine Höhe von 100 Kilometer fliegt und diesen Flug mit dem gleichen Raumschiff binnen 14 Tagen wiederholt.

Mit seinem SpaceShipOne-Projekt möchte Rutan dem Weg zum Massentransport in den Weltall den Weg ebnen (Ansturm auf galaktische Reiseagentur). Das nach dem Sänger-Prinzip arbeitende SpaceShipOne wurde von seinem Trägerflugzeug "White Knight" auf eine Höhe von 15.000 Metern gebracht. Hier wird es ausgeklingt und mit Hilfe seiner Antriebsraketen innerhalb von 80 Sekunden auf die Zielhöhe von 100 km gesteuert. Beim Rückflug bremsten hochgeklappte Flügel den Rücksturz ab, bis das Raketenflugzeug wieder manövrierfähig wird und wie ein gewöhnliches Flugzeug landet. Es wird sich zeigen, ob Privatinitiative und Abenteuerlust der einzige Weg der Menschheit sind, Hermann Oberths Träume von Reisen zu den Planetenräumen Realität werden zu lassen. Fest steht jedoch, dass es auf grundlegende Innovationen ankommt, wenn man die Raumfahrt in neue Sphären führen will.

SpaceShipOne. Bild: Scaled Composites

Die Laserstrahl-Rakete

Zukünftige Raumtransportsysteme in den Weltraum könnten durch die Nutzung von Licht ohne Triebwerke und Treibstoff an Bord auskommen, d.h. die Nutzlast könnte auf einem Laserstrahl in das Weltall reiten. Etwa 10 % des Gewichts eines solchen Lightship könnten für Nutzlast verwendet werden, wobei sich dieser Wert durch die Verwendung ultraleichter Werkstoffe auch heute schon auf den Faktor 15 - 20 % steigern ließe. Zum Vergleich kann bei einer Saturn-V-Rakete, eine der am besten optimierten Raketen der Welt, nur etwa 4 % der Startmasse bei einer 500 km Kreisbahn um die Erde als Nutzlast verwendet werden.

Das erste Space Shuttle für einen 278 km-Orbit hatte lediglich eine Nutzlast von etwa 1,5 % der Startmasse. Am 5. Nov. 1997 wurde der erste Außentest mit einem pulsierten 10 KW-Laserstrahl (eines Hochleistungs-Infrarot-CO2-Lasers, dessen Wellenlänge für das bloße Auge unsichtbar ist) durchgeführt, der das Gefährt mit einem Durchmesser von 14 cm und einem Gewicht von circa 40-50 Gramm auf eine Höhe von 17 Meter brachte.

Lightcraft mit Laserantrieb. Bild: Nasa

Der Antrieb des Lightcraft wurde von Leik Myrabo erfunden, einem Professor am renommierten Rensselaer Polytechnic Institute in Troy New York. Das Grundprinzip des Antriebs ist relativ einfach. Ein Spiegel dient als Startrampe für das Lightcraft. Ein schnell pulsierender Laser wird auf einen Reflektor unterhalb der Rakete gerichtet, wodurch die Luft unter der Rakete sehr stark erhitzt wird. Hierbei setzt der Prozess der "inversen Bremsstrahlung" explosionsartig Energien frei, die durch Düsen für den Antrieb von Raketen genutzt werden können.

Die Hauptgründe für die Investitionen in lasergeführte Raketen sind die geringen Kosten, die Einfachheit der Bauweise und die Möglichkeit, schnell Satelliten oder Kleinbauteile für Weltraumstationen in den Orbit zu befördern. Lichtraumschiffe eröffnen eine radikale Abkehr vom Prinzip der chemischen Raketen und deren ökologischen Problemen für einen möglichen regelmäßigen transatmosphärischen und orbitalen Transport von Menschen und Lasten. Mit Lightcraft-Transportsystemen könnten Personen in 45 Minuten von New York nach Australien befördert werden und eine Reise zum Mond könnte in fünfeinhalb Stunden durchgeführt werden. Vielleicht reiten wir zukünftig auf einem Laserstrahl zu den Grenzen unseres Sonnensystems.

Ionenantriebe

Der Ionenantrieb ist eine Antriebstechnik für Raumfahrzeuge, bei dem der Ausstoß eines Ionenstrahls zur Fortbewegung genutzt wird. Es wird auch als "solar-elektrischer Antrieb" bzw. "Solar Electric Propulsion" (SEP) bezeichnet. Dabei wird das schwere Edelgas Xenon als Treibstoff eingesetzt, welches in einem kleinen Tank mitgeführt wird.

Ionenantrieb. Bild: DLR

Das Prinzip des Ionenantriebs ist bereits seit den sechziger Jahren entwickelt worden. Ein Prototyp dieses Triebwerkstyps arbeitete erstmals 1992 auf dem europäischen Satelliten Eureka. Auch die Raumsonde Deep Space 1 besitzt ein Ionentriebwerk. Die Funktionsweise des Antriebs besteht darin, dass das Gas durch Beschuss mit Elektronen zunächst ionisiert, dann elektrostatisch beschleunigt und anschließend durch eine Düse mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen wird. Die Stromversorgung des Triebwerks erfolgt über neuartige Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad, die über zwei großflächige Sonnenpanele verteilt sind. Als Treibstoff des Ionenantriebs dient sowohl das Gas als auch die zusätzlich benötigte elektrische Energie.

Das stufenlos drosselbare Triebwerk liefert lediglich einen Schub von 20 mN bis 92 mN. Um die Sonde dennoch auf eine hohe Geschwindigkeit zu bringen, bleibt der Motor während der Beschleunigungsphase über lange Zeit in Betrieb. Die Gesamtbrenndauer des Triebwerks hängt vom mitgeführten Xenon-Vorrat ab. Da das Triebwerk einen hohen Wirkungsgrad (Antriebsimpuls pro Gramm Treibstoff) hat, ist im Endeffekt für einen Flug im freien Weltraum der Treibstoffbedarf wesentlich geringer als bei herkömmlichen Raumsonden. Raumfahrzeuge mit Ionenantrieb eignen sich daher besonders gut, um andere Planeten innerhalb unseres Sonnensystems zu erreichen.

Der Erkundung unseres Sonnensystems

Einen ersten Ansatz für die Minimierung des Treibstoffbedarfes für Raumschiffe, die die großen Entfernungen innerhalb unseres Sonnensystems zurücklegen sollen, liefert der Raketentriebwerks-Ingenieur Martin Lo vom Jet Propulsion Laboratory der NASA. Lo will Raumstraßen kartieren lassen, bei denen sich die Schwerkräfte verschiedener Himmelskörper wie z.B. Erde, Mond und Sonne aufheben.

Erster Nutznießer einer derartigen Fernstrasse war die Sonde Genesis, die Partikel des so genannten Sonnenwindes sammelte. Bei ihrer Rückkehr am 8. September stürzte sie allerdings ab, vermutlich wegen eines defekten Schwerkraft-Schalters, weswegen duie Bremsfallschirme nicht geöffnet wurden.

Der Vorteil der gravitationsfreien Straßen ist, dass für Missionen nahezu kein Treibstoff benötigt würde. Bei seinen Berechnungen nutzt Lo die Tatsache, dass es bei jedem Planet und jedem Mond in unserem Sonnensystem fünf so genannte Lagrange-Punkte im Raum gibt, an denen sich die Schwerkraft eines Himmelskörpers mit der eines anderen aufhebt. Bei der Rückkehr von der Sonne hatte sich Genesis einem Lagrange-Punkt der Erde genähert und ihn fünfmal umkreist. Ohne weitere Manöver bewegte sich die Sonde dann zu einem weiteren solchen Punkt auf der entgegengesetzten Seite der Erde. Von dort aus ging der Raumflug dann in die oberen Schichten der Erdatmosphäre. Der einzige Wermutstropfen bei solchen interplanetaren Reisen ist die Tatsache, dass dort auch die Flugbahnen von Asterioiden und Kometen liegen, so dass genügend Treibstoff für Ausweichmanöver mitgeführt werden sollte.

Um diese Erkundungen schneller durchführen zu können, sind jedoch auch noch schneller Antriebssysteme notwendig, wie z.B. das "SunBurn"-Konzept, bei dem eine Sonde auf 200 Kilometer pro Sekunde beschleunigt werden soll, so dass diese innerhalb von 13,1 Jahren eine Entfernung von 550 Astronomischen Einheiten erreichen kann, was ungefähr dem 550-fachen Abstand der Erde von der Sonne entspräche. Dies soll dadurch realisiert werden, indem eine Sonde auf eine Bahn geschossen wird, die sehr nahe an der Sonne vorbeiführt. Bei Zündung des Triebwerkes am sonnennächsten Punkt können dann sehr hohe Geschwindigkeiten erreicht werden.

Der Weg zur interstellaren Raumfahrt

Nach der Erkundung unseres Sonnensystems wird sich die Menschheit neue Reiseziele im Weltall setzen: die Fixsterne. Hierbei handelt es sich um glühende Gaskugeln, die wie unsere Sonne eigenes Licht erzeugen. Sie werden Fixsterne genannt, weil sie sich scheinbar nicht bewegen. Allein in unserer Galaxie, der Milchstraße, gibt es etwa 200 Milliarden Sterne, von denen lediglich 6.000 mit bloßem Auge sichtbar sind.

Alpha Centauri. Bild: MSX/IPAC/NASA

Der nächstliegende Fixstern, Alpha Centauri, ist 4,3 Lichtjahre von der Sonne entfernt, d.h. ein Raumschiff, das mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs wäre, würde 4,3 Jahre benötigen, um diesen zu erreichen. Könnte es sich mit immerhin 1/10 der Lichtgeschwindigkeit (hier sind noch keine relativistischen Effekte berücksichtigt) fortbewegen, so würde die Reisezeit immer noch ein halbes Menschenleben von etwa 40 Jahre erfordern.

Das Space Shuttle der NASA fliegt zwar für irdische Verhältnisse erstaunliche 27.800 km in der Stunde. Mit dieser Flugzeit würde es jedoch fünfeinhalb Tage brauchen, um lediglich zum Mond zu fliegen. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt 1.079.252.849 km/h, d.h. bei der Distanz zu Alpha Centauri von 4.3 Lichtjahren (entspricht ca. 37668 h) ergäbe sich eine Distanz von etwa 40,6 * 1012 km. Mit der Geschwindigkeit des Space Shuttle würde damit die Reise zum Alpha Centauri 1,46 * 10 9 h betragen. Dies entspräche einer Reisezeit von ungefähr 1,66 Millionen Jahren.

Das also ist ein völlig aussichtsloses Unterfangen, da noch keine Technologie in Aussicht ist, mit der man auch nur annähernd die Lichtgeschwindigkeit erreichen könnte. Mit den heute möglichen Technologie-Benchmarks würde ein Flug zum Mars 3 Monate, ein Flug zum Jupiter 3 Jahre und ein Flug zum Pluto 30 Jahre erfordern. Am Reiseziel Alpha Centauri wären wir erst nach 20.000 Jahren.

Für interstellare Reisen sind allerdings sogar Reisezeiten von 1/10 Lichtgeschwindigkeit oder selbst der Lichtgeschwindigkeit (hier sind relativistische Effekte zu berücksichtigen) viel zu wenig. Alleine für das Durchqueren der Milchstraße wären bei Lichtgeschwindigkeit 100.000 Lichtjahre erforderlich. Die Reise zu einer unserer Nachbar-Galaxien, dem Andromeda-Nebel, würde sogar mehr als 2 Millionen Lichtjahre erfordern. (Artur P. Schmidt)

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