Elektroantrieb für Raumsonden

Elek­trische Antriebe gelten als besonders zukunfts­trächtige Raumfahrt­technologie. Sie haben zwar weniger Schubkraft, dafür aber eine deutlich höhere Treib­stoff-Effizienz als herkömm­liche chemische Trieb­werke. Satel­liten können damit erheblich leichter und lang­lebiger werden. Anderer­seits können die Nutz­lasten bei weniger Treibstoff­masse steigen. Elek­trische Trieb­werke sind also besonders für inter­planetare Langzeit­missionen von Interesse oder für leistungs­fähige Kommunikations­satelliten.

Deutschland engagiert sich seit mehreren Jahrzehnten in der Forschung für elek­trische Trieb­werke. Das Raumfahrt­management im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR in Bonn fördert mit Mitteln des Bundes­ministeriums für Wirtschaft und Energie seit einigen Jahren auch die indus­trielle Entwicklung von elek­trischen Trieb­werken. Mit nun auch kommer­ziellem Erfolg: Auf der „World Satellite Business Week“ in Paris gab die Ariane­Group Mitte September 2017 bekannt, im Rahmen eines gemein­samen Entwicklungs­programmes einen ersten Produktions­auftrag für Flugsätze des Elek­trischen Antriebs­systems RIT 2X für Boeing Tele­kommunika­tions-Satel­liten unter Vertrag zu haben.

Die Antriebs­systeme werden dabei von der ArianeGroup in Lampolds­hausen entwickelt, gefertigt und getestet. Die dazu­gehörige Strom­versorgungs­elektronik kommt von den Airbus­standorten in Friedrichs­hafen und Madrid. Zusätzlich wurde eine länger­fristige Zusammen­arbeit vereinbart, die diese Antriebs­systeme auch für die zukünf­tigen Satelliten der Produkt­linie vorsieht. Die ersten beiden rein elek­trisch-ange­triebenen Kommunikations­satelliten wurden von Boeing gebaut und sind 2015 gestartet worden. „Das Antriebs­system ist ein Parade­beispiel für den Erfolg unserer lang­jährigen und nach­haltigen Förderung“, erläutert Gerd Gruppe, Vorstand für das DLR Raumfahrt­management. „Mit einer strategisch gut aufge­setzten Planung ist es uns zusammen mit der ArianeGroup gelungen, das welt­weite Vertrauen in deutsche Hoch­technologie zu stärken. Dieses Engage­ment trägt nun Früchte.“

Die bestellten Antriebs­systeme basieren auf der so genannten RIT-Tech­nologie (Radio­frequency Ion Thruster). Das DLR Raumfahrt­management unterstützt die Entwicklung dieser Antriebs­systeme sowohl über Beiträge aus dem nationalen Förder­programm als auch über die deutschen Beiträge zum ESA-Entwicklungs­programm für Satelliten­kommunikations­produkte und -dienste (ARTES). „Sein Potenzial konnte das RIT erstmals im Jahr 2001 – damals noch in der kleineren Version RIT-10 – auf der ESA-Satelliten­mission Artemis demon­strieren. Artemis wurde von der Startrakete zu niedrig ausgesetzt, konnte sich aber durch den Einsatz des RIT-10-Triebwerks retten. Dank seiner Treibstoff­effizienz sind die erziel­baren Gewichts­einsparungen besonders hoch“, berichtet Lisa Martin Perez, die im Raumfahrt­management das Thema „Elek­trische Antriebe“ betreut. Neben verschiedenen elek­trischen Triebwerks­techno­logien wird in Deutschland auch eine eigene voll­elektrisch ange­triebene Satelliten­produktlinie bei OHB System in Bremen entwickelt.

Anders als bei chemischen Antrieben, bei denen die Energie im Treibstoff gespeichert ist, stammt bei elek­trischen Antrieben die Energie aus den Solar­zellen des Satelliten. Die RIT-Triebwerke nutzen elektro­magnetische Wellen im Radio­frequenz-Bereich, um das Antriebs­gas – üblicher­weise wird bei elek­trischen Triebwerken Xenon verwendet – zu ionisieren. Anschließend wird das ioni­sierte Gas durch ein unter hoher elek­trischer Spannung stehendes Gitter beschleu­nigt. Dadurch erfährt der Satellit einen Stoß und wird in die gewünschte Richtung ange­trieben. Für diesen Vorgang benötigen die Trieb­werke eine anspruchs­volle Kombi­nation aus hohen Spannungen und hohen Strömen, die von der Strom­versorgungs­einheit zur Verfügung gestellt wird.

DLR / JOL