„Grüner“ Treibstoff für Satelliten im Test

Die beiden Satelliten Mango und Tango der PRISMA-Mission im Formationsflug
31 Januar 2011

Seit letztem Jahr testen Triebwerksexperten der schwedischen PRISMA-Mission einen umweltfreundlichen Treibstoff für Satelliten, dessen Entwicklung durch die ESA unterstützt wurde. Das innovative Produkt wird auf den Space Innovation Days, die am 17. und 18. Februar 2011 am ESTEC in Noordwijk (Niederlande) stattfinden, vorgestellt. An der PRISMA-Mission ist auch Deutschland beteiligt, dessen Deutsches Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) in diesem Frühjahr den operationellen Betrieb übernehmen wird.

Das Bild ist bekannt: Mitarbeiter, die eher Astronauten ähneln, betanken kurz vor der Verbindung eines Satelliten mit der Trägerrakete in unförmigen Schutzanzügen den Raumflugkörper mit Treibstoff für die Lageregelungs- und Bahnänderungstriebwerke. Dabei handelt es sich heute fast ausschließlich um Hydrazin, eine hochgiftige und krebserregende Stickstoffverbindung - derzeit noch die beste Lösung. Die deshalb erforderlichen Sicherheitsvorkehrungen, die sich nicht allein auf die Schutzanzüge beschränken, verteuern eine Mission unnötig und verlängern den Vorbereitungszeitraum.

Hydrazin - hochleistungsfähig, aber kritisch

Die Betankung von Satelliten erfordert heute Spezialanzüge

Warum findet Hydrazin trotz dieser Nachteile eine so breite Anwendung als Raketentreibstoff? Es ist zunächst hochleistungsfähig, besitzt also eine hohe Energiedichte. Außerdem kann Hydrazin lange gelagert werden. Ein dritter, ganz wichtiger, Punkt ist seine „hypergolische“ Fähigkeit. Das bedeutet, dass der Treibstoff sich beim Zusammentreffen mit einem Oxidator (im Fall von Hydrazin Salpetersäure oder Distickstofftetroxid) oder einem geeigneten Katalysator (Aluminiumoxid) spontan entzündet. Das erleichtert den Triebwerksingenieuren die Arbeit, denn sie müssen keine aufwändigen und fehleranfälligen Zündsysteme einbauen. Bei Lageregelungsantrieben für Satelliten kommen heute überwiegend Systeme mit Katalysator zum Einsatz. Man spricht dann von Einstofftriebwerken, da nur das Hydrazin und kein Oxidator benötigt werden. Das spart wiederum Platz und Masse an Bord.

„Grüner“ Treibstoff soll Abhilfe schaffen

Das 1N-Triebwerk für den "grünen" Treibstoff HPGP

Eine neue Entwicklung könnte den Füllvorgang künftig jedoch vereinfachen und das Betanken wäre nicht gefährlicher als bei einem Auto. Bereits seit 1997 forscht die ESA gemeinsam mit der Swedish Space Corporation (SSC) an neuartigen Treibstoffen, die ungiftig und trotzdem lagerfähig sowie hypergol sind. Die Triebwerks- und Treibstoffaktivitäten der SSC wurden inzwischen in einem hundertprozentigen Tochterunternehmen, der ECAPS (Ecological Advanced Propulsion Systems), gebündelt. Dort konnte nun ein Erfolg verbucht werden: LMP-103S heißt der neue Wundertreibstoff. Es handelt sich um eine Mischung aus Ammoniumdinitramid (ADN), Methanol, Wasser und Ammoniak. Der „grüne“ Treibstoff wird von ESCAP auch als High Performance Green Propellant (HPGP) bezeichnet.

„Der Treibstoff auf Basis von ADN hat eine um 30 Prozent höhere Performance als Hydrazin und ist wesentlich weniger giftig“ freut sich Mark Ford, Leiter des Bereichs Antriebstechnik der ESA, und ergänzt: „Anders als Hydrazin kann es sicher mit einem Flugzeug transportiert werden und es sind keine unbequemen Schutzanzüge beim Betanken nötig.“

Unterstützung durch die ESA

Für den grünen Treibstoff wurde bei ECAPS ein passendes Triebwerk mit 1 Newton Schub entwickelt, das derzeit bei der schwedischen PRISMA-Mission zusammen mit LMP-103S getestet wird. Das kleine Wunderwerk und der Treibstoff sollen auf den Space Innovation Days, die am 17. und 18. Februar 2011 am ESTEC in Noordwijk (Niederlande) stattfinden, der Fachwelt präsentiert werden. Die ESA hat die Entwicklung im Rahmen ihres General Support Technology Programme (GSTP) unterstützt. Ziel des GSTP ist es, vielversprechende Prototypen aus dem Labor zu flugfähiger Hardware zu qualifizieren.

Das neue Antriebssystem soll auch bei der ESA-Testmission Proba 3 zu Einsatz kommen.

Die PRISMA-Mission

Der Hauptsatellit Mango des PRISMA-Duos

PRISMA ist eine schwedische Technologie-Mission, die zur Erprobung der autonomen Steuerung von zwei Kleinsatelliten namens Tango und Mango im Formationsflug dient. An dem Vorhaben sind auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), die französische Raumfahrtagentur CNES und die Dänische Technische Universität (DTU) Kopenhagen beteiligt.

Am 15. Juni 2010 wurde PRISMA zusammen mit dem französischen Sonnenforschungssatelliten PICARD gestartet. Nach intensiven Überprüfungen aller Systeme erfolgte am 12. August 2010 die Trennung von Tango und Mango, sodass die eigentliche Mission zur Erprobung verschiedener Verfahren des autonomen Formationsflugs und des Rendezvous von Satelliten beginnen konnte. Mango ist der mit 140 Kilogramm Masse schwerere Hauptsatellit, der in allen drei Achsen steuerbar ist und auch den „grünen“ Treibstoff an Bord hat. Tango dient als Target, also als Zielscheibe. Er wiegt etwa 40 Kilogramm.

Zu den Sensoren gehören neuartige scheckkartengroße GPS-Empfänger vom DLR aus Oberpfaffenhofen, die für autonome Formationsflüge eingesetzt werden. In diesem Frühjahr soll dann das GSOC in Oberpfaffenhofen den operationellen Betrieb bis zum Missionsende übernehmen.

Die ersten Flugmanöver und Versuchsreihen mit dem neuen Treibstoff waren sehr erfolgreich und werden noch bis mindestens Mai fortgeführt.

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