Tiny Electric Thrusters von Phase Vier, Accion könnte interplanetarisch werden

Elektrische Triebwerke für Raumfahrzeuge werden immer kleiner und könnten der Schlüssel für neue Weltraummissionen sein. Und laut zwei neuartigen Weltraumtechnologieunternehmen, Phase Four und Accion Systems, könnten sie sogar interplanetarisch werden.

Herkömmliche Raketen, die auf chemischen Reaktionen beruhen, "sind eine großartige Möglichkeit, viel Schub zu erzeugen, aber sie sind sehr ineffizient, wenn es um die Schubkraft geht," sagt Simon Halpern, Gründer und CEO des Raumfahrtunternehmens Phase Vier in El Segundo, Kalifornien, sagte ProfoundSpace.org. "Deshalb benötigt man für den Start eines kleinen Satelliten eine gigantische mehrstöckige Rakete."

Wissenschaftler haben über die Jahre eine Vielzahl von Alternativen zu chemischen Raketen erforscht. Einer ist der elektrische Antrieb, der Schub erzeugt, indem er Elektrizität verwendet, um elektrisch geladene Treibmittel von einem Raumfahrzeug weg zu beschleunigen. [Wilde Ideen für superschnellen Weltraumantrieb]

Elektrischer Antrieb erzeugt viel weniger Schub als chemische Raketen, zu schwach, um ein Raumfahrzeug von der Erdoberfläche zu starten. Der elektrische Antrieb ist jedoch weitaus effizienter als der Einsatz chemischer Raketen, was ihn potenziell sehr nützlich macht, wenn es auf jedes Gewicht ankommt, etwa mit einem Raumfahrzeug, sobald eine konventionelle Rakete es in den Orbit bringt.

"Es gibt eine Menge Geld, um Firmen zu starten, aber sobald Raumschiffe im Weltraum sind, müssen sie in der Lage sein, sich zu bewegen, um die inneren und äußeren Planeten des Sonnensystems zu erforschen", sagte Halpern.

Plasma-Antrieb

Elektrische Triebwerke haben Raumfahrzeuge seit Jahrzehnten angetrieben. Zum Beispiel begann die Sowjetunion in den 1970er Jahren mit sogenannten Hall-Triebwerken auf Satelliten. Hall-Thruster verwenden elektrische und magnetische Felder, um neutrale Atome in einem Gas wie Xenon in geladene Teilchen umzuwandeln, die Ionen genannt werden, und dann elektrische Felder zu verwenden, um Ionenwolken, die als Plasmen bekannt sind, nach außen zu beschleunigen, um Schub zu erzeugen. Diese Triebwerke bleiben die häufigste Art von elektrischen Triebwerken auf Raumfahrzeugen.

"Während Hall-Triebwerke eine gute Leistung zeigen, haben sie ihre Wurzeln in der Technologie der 60er und 70er Jahre", sagte Halpern. "Sie haben also wirklich große, sperrige Systeme."

Jetzt hat Phase Four "das kleinste heute verfügbare Plasma-Antriebssystem" entwickelt, sagte Halpern. "Wir wollen helfen, ein Raumschiff um jeden Planeten, jeden Mond, jeden Tag in die Umlaufbahn zu bringen."

Anstatt große Hochvolt-Elektronik zu verwenden, um Plasmen mit elektrischen und magnetischen Feldern zu erzeugen, verwenden die Triebwerke von Phase Four kleinere Komponenten mit niedriger Spannung, um Plasmen mit Radiowellen zu erzeugen.

"Genau wie ein Mikrowellenherd Mikrowellen verwendet, um Wassermoleküle in Lebensmitteln anzuregen, verwenden wir dieselben elektronischen Teile, die Sie in einem Mobiltelefon oder einer kabellosen elektrischen Ladematte finden, um Radiowellen zu erzeugen, die ein Plasma anregen können", sagte Halpern. "Xenon ist das Treibmittel, das am häufigsten für elektrische Antriebe verwendet wird, aber wir suchen auch nach Luft oder Wasser."

Die Triebwerke der Phase Vier leiten die Elektronen im Plasma mithilfe magnetischer Felder nach außen, entweder von Permanentmagneten oder von Elektromagneten. Die Ionen im Plasma folgen den Elektronen nach außen, was dem Plasma eine insgesamt neutrale elektrische Ladung verleiht.

Ein Nachteil früherer elektrischer Triebwerke ist, wie sie die elektrischen Ladungen ihrer Plasmen neutralisieren müssen, wenn sie in den Weltraum sprengen, sonst würde das Raumfahrzeug riesige, gefährliche elektrische Ladungen aufbauen, erklärte Halpern. Diese neutralisierenden Komponenten neigen typischerweise dazu, mit der Zeit auszufallen, weil sie in die Abgasfahnen eines Triebwerks eingetaucht werden müssen. Im Gegensatz dazu erzeugen die Triebwerke von Phase Four Plasmen mit einer insgesamt neutralen elektrischen Ladung und müssen daher weder ihre Plasmen neutralisieren noch fehleranfällige Neutralisierungskomponenten tragen, sagte Halpern.

Im Mai gab die vierte Phase bekannt, dass sie Triebwerke an die NASA verkaufte, damit die Agentur ihre Fähigkeiten für den Satellitenantrieb testen konnte, sowie für die Satellitenfirma Astro Digital in Santa Clara, Kalifornien. "Wir sehen dies als Bestätigung durch die Regierung und die kommerzielle Industrie, dass wir etwas haben, was die Leute wollen", sagte Halpern.

Halpern beschrieb die Arbeit von Phase Four am 2. Juni beim Symposium "Dawn of Private Space Science" an der Columbia University in New York.

Elektrospray-Triebwerke

Eine andere neue Art von Elektroantriebstechnologie verwendet Grobstrahltriebwerke für Raumfahrzeuge. "Unser Ziel ist es, unsere Technologie für die Kolonisierung anderer Planeten und vielleicht Sonden für einen anderen Stern zu nutzen", sagte Natalya Bailey, Gründerin und CEO von Accion Systems in Boston, gegenüber ProfoundSpace.org.

Elektrische Triebwerke sind oft auf komprimierte Gase angewiesen, die in voluminösen Drucktanks gespeichert sind, sowie auf große Kammern, in denen diese Gase ionisiert werden, und auf Rohre, Ventile und Pumpen, um diese Gase herumzuschleppen. Stattdessen verlässt sich Accion auf ein salziges flüssiges Treibmittel, das dazu beiträgt, die Größe des Triebwerks deutlich zu reduzieren und das Design zu vereinfachen.

"Wir bringen die Fähigkeiten traditionellerer Ionentriebwerke auf die Größe und Leistung kleiner Satelliten", sagte Bailey.

Die Sprühreiniger von Accion, die jeweils als TILE (Tiled Ionic Liquid Electrospray) bekannt sind, stützen sich auf Kapillarwirkung, um Flüssigkeiten in das Innere des Geräts zu leiten. Kapillarwirkung zwingt Flüssigkeiten, durch enge Rohre zu fließen . Jede TILE verwendet dann elektrische Felder, um Ionen aus dem Treibmittel zu ziehen und sie in Strahlen aus mikroskopischen Düsen zu leiten.

Accions ursprüngliches Ziel ist es, selbst winzigen Satelliten die Möglichkeit zu geben, sich selbst zu bewegen und so ihre Positionen in ihren Umlaufbahnen um die Erde zu korrigieren. Dies kann ihnen helfen, länger im Orbit zu bleiben, so dass Satellitenbesitzer mehr Wert für ihr Geld bekommen.

"Wir eröffnen Missionstypen für kleine Satelliten, die sie vorher nicht hatten", sagte Bailey.

Die Verfahren zur Herstellung von Mikrochips können angepasst werden, um die Massenfertigung von Accion-Triebwerken zu unterstützen, was zur Kostensenkung beiträgt. "Auf lange Sicht ist der Grund, warum wir unser Unternehmen rund um diese Technologie gegründet haben, dass es das skalierbarste aller elektrischen Antriebssysteme ist", sagte Bailey.

Accion's Schubdüsen sollen 2019 auf drei Raumschiffen fliegen, sagte Bailey. Das erste Raumfahrzeug wird ein Cubesat von der Irvine High School in Kalifornien sein.

"Wir werden zu immer höheren Leistungsniveaus und planen schließlich, zu größeren Satelliten und dann zu interplanetaren Missionen zu gehen", sagte Bailey.