Winzige Mikroantriebe für LISA Pathfinder und LISA

LISA Pathfinder
24 Mai 2009

Für das erste Quartal 2011 plant die ESA den Start der Sonde LISA Pathfinder. Sie soll in 1,5 Millionen Kilometer Erdentfernung Schlüsseltechnologien erproben, die den Weg für LISA ebnen werden, einem aus drei Satelliten bestehendem Detektorsystem, das ab 2019 im All nach Gravitationswellen suchen soll. Zur Lageregelung sind winzige elektrische Triebwerke vorgesehen, die derzeit im ESTEC umfangreichen Tests unterzogen werden.

LISA (Laser Interferometry Space Antenna), ein Gemeinschaftsprojekt von ESA und NASA, soll 2019 mittels dreier identischer Raumsonden, die in einer Dreiecks-Konstellation jeweils fünf Millionen Kilometer voneinander entfernt um die Sonne kreisen, winzigste Erschütterungen des Raums feststellen, wie sie beispielsweise von superschweren schwarzen Löchern ausgehen. Diese als Gravitationswellen bezeichneten Erschütterungen hat Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorausgesagt. Sie wurden bislang jedoch nur indirekt durch ihre Wirkung auf astronomische Objekte nachgewiesen. Mit LISA wird zum ersten Mal versucht werden, den gravitativen Einfluss dieser Wellen auf die drei Raumflugkörper direkt im Weltraum zu messen. Da die Raumsonden im Vergleich zu natürlichen kosmischen Objekten in Abmessung und Masse winzig sind, ist zu erwarten, dass auch der Einfluß der Gravitationswellen auf die künstlichen Himmelskörper kaum messbar sein wird.

Triebwerke mit der Kraft eines fallenden Haares

Die Voraussetzungen zum Erhalt präzisester Daten sollen deshalb spezielle Ionentriebwerke schaffen, die mit minimalstem Schub für eine punktgenaue Lageregelung der Sonden im Weltraum sorgen und damit auch die kleinste Lageänderung ausgleichen können.
Derart winzige Schübe lassen sich nach dem heutigen Stand der Technik nur mit der Technologie der Field Emission Electric Propulsion (FEEP, Feldemissionstriebwerk) realisieren. In diesen Antrieben werden durch Anlegen einer besonders hohen Spannung Ionen, also elektrisch geladene Atome, direkt aus flüssigem Metallen – das können Cäsium, Indium oder Rubidium sein - gewonnen und mittels eines elektrischen Feldes aus dem Triebwerk heraus beschleunigt.

Der Schub von Ionentriebwerken ist äußerst gering. Ganze 70 Millinewton erzeugen die bisher konstruierten Antriebe dieser Bauart, was in etwa mit der Kraft, die eine Postkarte auf die Hand ausübt, verglichen werden kann. Dieser Wert wird von FEEPs der neuesten Bauart noch einmal um das Tausendfache unterboten. Ihre Schubkraft bewegt sich bei einer Regelbarkeit von 0,1 Mikronewton lediglich im Bereich zwischen 0,1 und 150 Mikronewton! Das wiederum entspricht nur noch der Kraft eines fallenden menschlichen Haares!

Aber trotz dieses geringen Schubs besitzen Ionenantriebe gegenüber konventionellen Triebwerken einen Riesenvorteil: Sie können über viele Monate hinweg ununterbrochen arbeiten. Bei FEEPs kommt hinzu, dass sie einen Raumflugkörper durch Kompensierung minimalster Kräfte so akkurat in stabiler Position halten können, wie kein anderer Antrieb - bis zu einem Millionstel Millimeter genau. Damit kann sogar der Strahlungsdruck der Sonne ausgeglichen werden.
Gerade diese zwei Vorteile machen die Antriebswinzlinge allen anderen Triebwerken gegenüber weit überlegen und lassen ihnen eine Schlüsselrolle bei den zwei LISA-Unternehmen zukommen.

FEEP – ein europäisches „Eigengewächs“

Ion beams
FEEP-Triebwerk erzeugt einen Ionenstrahl (blau leuchtend)

Europa hat sich auf dem Gebiet der FEEP besondere Kompetenz erarbeitet. So beschäftigt sich das Antriebslabor des ESA - Weltraumtechnologiezentrums ESTEC im niederländischen Noordwijk zusammen mit europischen Triebwerksfirmen seit Jahren mit der Problematik. Ein zweites Entwicklungszentrum für derartige Antriebe befindet sich beim Austrian Research Center (ARC) Seibersdorf in Österreich, das ebenfalls von der ESA unterstützt wird. Was lag also für die ESA näher, als zwei Teams für einen Wettbewerb um die Entwicklung des geeignetsten FEEP-Triebwerks für LISA und LISA Pathfinder auszusuchen.
Neben einem italienischen Konsortium um die Firma ALTA, an dem auch das Schweizer Unternehmen Oerlikon Space beteiligt ist, war ein Team unter der Führung von ASTRIUM Space Transportation, dem größten europäischen Triebwerkshersteller des Konzerns EADS, zusammen mit dem ARC Seibersdorf ausgewählt worden.

Das Konsortium um ALTA nutzt als Treibstoff flüssiges Cäsium, das sich zwischen zwei Metallflächen befindet, die in einem rasierklingenscharfen Schlitz enden. Dieser hat lediglich einen Mikrometer Breite und ist damit hundertmal schmaler als ein menschliches Haar. Die Oberflächenspannung hält das Cäsium im Spalt fest, bis das elektrische Feld Ionen aus dem Schlitz „saugt“ und anschließend in den Weltraum „schleudert“. Um die austretenden positiv geladenen Cäsium-Teilchen nach ihrer Beschleunigungsarbeit wieder zu neutralisieren, bringt zum Schluss ein Neutralisator Elektronen in den Antriebsstrahl ein. Damit sollen elektrostatische Entladungen verhindert werden, die der Raumsonde gefährlich werden können.

Die Seibersdorfer haben sich für das Metall Indium entschieden, das in ihrer Konstruktion an einer nadelförmigen Spitze ionisiert und beschleunigt wird. Anschließend werden die geladenen Teilchen ebenfalls neutralisiert.

Die Entscheidung fiel schließlich zu Gunsten des Cäsium-Triebwerks aus, das vor allem durch einen geringeren Energieverbrauch besticht. Das österreichische Pendant wird jedoch als mögliches Reservesystem zu Ende entwickelt und für den außerirdischen Einsatz qualifiziert.

In Noordwijk finden gegenwärtig die umfangreichen Erprobungen des ausgewählten Weltraumantriebs statt. Dabei steht vor allen Dingen das perfekte Zusammenspiel der einzelnen Triebwerkskomponenten im Mittelpunkt. Stellt FEEP seine Funktionsfähigkeit bei den Tests unter Beweis, könnte der Antrieb später auch bei anderen Satellitenmissionen zum Zuge kommen, die ähnlich wie LISA nach hochgenauen Stabilisierungen verlangen, so z. B. Präzisionsformationsflüge für die astronomische Forschung, zu Erdbeobachtungen oder zur Messung der Schwankungen des irdischen Gravitationsfeldes.

Einen ersten Erfolg haben die Europäer aber schon errungen. Die NASA hat für ihr Projekt „Origins“ bereits einige österreichische Antriebe zum Testen eingekauft.

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