04.10.2018

Neuer Helikon-Plasmastrahler soll im Weltraum aufräumen

Sicherheit für bemannte Raumfahrt und Satelliten auch in Zukunft gewährleistet.

Über die letzten Jahrzehnte hinweg hat sich jede Menge Weltraummüll in der Erd­um­lauf­bahn angesammelt. Diese Über­bleibsel früherer Welt­raum­mis­sionen sowie nicht mehr im Einsatz befindliche Satelliten und Welt­raum­sonden können Schäden an Raum­fahr­zeugen verursachen, mit funktions­fähigen Satelliten aber auch anderem Welt­raum­müll kollidieren und weitere Trümmer entstehen lassen. Über 600.000 Objekte mit einem Durch­messer größer einem Zenti­meter befinden sich derzeit in verschie­denen Umlauf­bahnen. 13.000 von ihnen, die mit einer Größe von über fünf Zenti­meter eine Gefahr für laufende Mis­sionen und wertvolle Tech­no­logie im Orbit darstellen, werden konti­nui­erlich beobachtet, damit die Sicherheit von Welt­raum­mis­sionen gegeben ist. Auch die Inter­nationale Raum­station ISS muss gele­gentlich dem Welt­raum­müll, der in den kom­men­den Jahren noch zunehmen wird, ausweichen.

Abb.: Von wegen „Leerer Raum“: Unmengen kleiner und großer Partikel auf verschiedenen Umlaufbahnen um die Erde gefährden Satelliten, Sonden und die bemannte Raumfahrt. (Bild: Universität Tohuko)

Eine aktive Be­sei­tigung des Welt­raum­mülls wird also unerlässlich werden, um die Sicherheit im Orbit zu gewährleisten. Wenn in naher Zukunft keine Abhilfe­maß­nahmen ergriffen werden, wird es schwierig sein, die Welt­raum­aktivitäten im geplanten Umfang aufrecht­zu­erhalten. Um dieses Problem zu lösen, wurden bisher mehrere Methoden zur Entfernung des Mülls vorgeschlagen. Sie sind entweder kontakt­behaftet – wie Roboter­arme, Ein­fang­netze und elektro­dyna­mische Fänger – oder kontaktlos – wie Laser und Ionen­strahl­führungen, wobei die kontakt­losen Methoden als sicherer erachtet werden.

Eine der kontakt­losen Methoden verwendet ein an einem Satelliten mon­tiertes Ionen­trieb­werk. Der aus dem Trieb­werk ausgestoßene und gegen Welt­raum­schutt gerichtete Plasma­strahl verlangsamt die getroffenen Teile, so dass diese auf eine niedrigere Höhe fallen, in die Erd­atmo­sphäre eintreten und dort im Ideal­fall rück­stands­frei verbrennen. Die Sache ist jedoch kniffelig: Das Auswerfen des Plasma­strahls in Richtung des Schuttes beschleunigt den Satelliten in die ent­gegen­gesetzte Richtung. Dies erschwert es, einen gleichmäßigen Abstand zwischen Schutt und dem Satelliten einzuhalten.

Abb.: Konzept zur Entfernung von Weltraumschrott durch bidirektionale Impulsausstoßung aus einem Satelliten. (Bild: Kazunori Takahashi)

„Eine Ent­trüm­mer­ung mit einem einzigen Hoch­leistungs­antriebs­system wäre für die Raum­fahrt von großem Nutzen“, sagte Professor Kazunori Takahashi von der Tohoku University in Japan, der in Zusam­men­arbeit mit Kollegen der Australian National University an neuen Techno­logien zur Ent­fernung von Welt­raum­schrott forscht.

Gemeinsam konnten die Wissenschaftler zeigen, dass ein Helikon-Plasma­strahler die Entfernung von Welt­raum­schrott mit nur einem Antriebs­system durchführen kann. Im Labor­experiment wurde die bi­direktio­nale Aus­stoßung von Plasma­fahnen aus einer einzelnen Plasma­strahl­quelle mit einem Magnet­feld und Gas­injektion präzise gesteuert. An einem das Trümmer­teil simu­lie­ren­den Objekt wurde dabei die Kraft­ein­wirkung gemessen, die im Weltall dann zur Ver­ringerung dessen Geschwindigkeit führen würde. Der zusätzliche Plasma­ausstoß in die entgegen­gesetzte Richtung sorgte dafür, dass die Netto­kraft zwischen Plasma­strahler und Test­objekt Null blieb. Das mit nur einem Plasmastrahler versehene System, kann in drei Betriebs­arten betrieben werden: Beschleu­nigung des Satelliten, Verzögerung des Satelliten und Ent­fernung von Schmutz.

Abb.: Schema eines Helikon-Plasmastrahle mit zwei Ausgängen und Fotos der drei Betriebsarten im Labortest. (Bild: Kazunori Takahashi)

„Der Helikon-Plasma­strahler ist ein elektroden­loses System, das lange Betriebs­dauern auf hohem Leistungs­niveau ermöglicht“, sagt Takahashi, „Diese Erfindung unter­scheidet sich erheblich von bestehenden Lösungen und wird einen wesent­lichen Beitrag zu zukünftigen bemannten Welt­raum­mis­sionen leisten“.

Tohoku University / LK

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