Mit elektrischen Raumfahrtantrieben sicher in den Weltraum

Ein bemannter Flug zum Mars oder andere ehrgeizige Raumfahrtmissionen werden durch die Möglichkeiten elektrischer Raumfahrtantriebe erleichtert oder technologisch überhaupt erst realisierbar. Die Entwicklung elektrischer Raumfahrtantriebe, kurz EP für „electric propulsion“, schreitet derzeit rasch voran, auch beflügelt durch eine rasante Kommerzialisierung der Raumfahrt. Um den sicheren Betrieb von EP-Systemen im Weltraum zu gewährleisten, ist der Aufbau hochmoderner Instrumente zum Test und zur Qualifizierung solcher EP-Systeme dringend erforderlich. Im Verbundprojekt „Ref4EP: Referenztriebwerke und Diagnosestandards für elektrische Raumfahrtantriebe für Kleinsatelliten“ unter Federführung der Uni Gießen soll eine Standard-Testanlage für elektrische Raumfahrtantriebe entwickelt werden, mit denen diese auf der Erde für den Weltraum getestet werden können. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz fördert das Verbundprojekt von November 2023 bis April 2025 mit rund 668.000 Euro.

Auf Initiative des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt hat sich für das Verbundprojekt Ref4EP ein Konsortium aus vier Partnern gebildet, die über einschlägige Erfahrungen auf dem Gebiet der Triebwerksdiagnose und der Entwicklung von Ionenquellen verfügen. Neben der Uni Gießen und der TH Mittelhessen sind das Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung sowie die Uni Kiel beteiligt. In dem Verbundprojekt sollen zwei Referenzdiagnostika für die Treibstrahlanalyse entwickelt und mit einer Referenzionenquelle verglichen werden. Die experimentelle Validierung der entwickelten Ionenquelle sowie der Diagnostika wird an verschiedenen Weltraumsimulationsanlagen in Form eines Ringvergleichs erfolgen.

In der Arbeitsgruppe Ionentriebwerke unter Leitung von Peter Klar am I. Physikalischen Institut der Uni Gießen stehen im Rahmen des Teilvorhabens „Entwicklung einer Festkörper-Ionenquelle hoher Energieschärfe zur Etablierung eines Energienormals für Energieanalysatoren“ der Aufbau eines Kalibrierstandes für Energieanalysatoren und die Entwicklung hochgenauer Energiespektrometer im Vordergrund. Dazu wird eine spezielle Ionenquelle auf Basis von Alkali-Aluminiumsilikaten entwickelt, die mittels thermionischer Emission einen Alkali-Ionenstrahl mit hoher Energieschärfe liefert und sich hervorragend für vergleichende Energiemessungen eignet.

Die Arbeitsgruppe Raumfahrtelektronik des Fachbereichs Elektro- und Informationstechnik an der TH Mittelhessen bearbeitet das Teilvorhaben „Entwicklung eines Radiofrequenzgenerators für eine Referenz-Ionenquelle“. Dabei soll eine Generatortopologie für die vom Projektpartner IOM entwickelte Referenzionenquelle gebaut werden, die sich durch hohe Qualität, geringe Exemplarstreuung und hohe Zuverlässigkeit auszeichnet, um reproduzierbare Ionenquellenperformance bei allen Projektpartnern – ganz im Sinne einer Standardisierung – zu ermöglichen.

Neben den etablierten Anbietern von EP-Systemen wie ArianeGroup, Sitael, Airbus oder Thales drängen insbesondere im Bereich der Kommunikationssatelliten viele neue Anbieter mit eigenen Produkten auf den Markt. Um den sich schnell entwickelnden Anforderungen der Raumfahrtindustrie im EP-Bereich gerecht zu werden und eine Vergleichbarkeit zwischen EP-Systemen herzustellen, sind Konzepte für Testanlagen zur Qualifizierung und Standardisierung von EP-Systemen erforderlich, wie sie im Rahmen von Ref4EP entwickelt werden. Dabei müssen sich die auf der Erde in Testanlagen ermittelten Leistungs- und Betriebsparameter von EP-Systemen auf den Betrieb unter realen Bedingungen im Weltraum übertragen lassen.

JLU Gießen / RK