Neue Motorentechnologie, die uns schneller zum Mars bringen könnte

Wenn wir jemals regelmäßige Reisen von der Erde zum Mars und zu anderen weit entfernten Zielen unternehmen wollen, brauchen wir möglicherweise neue Arten von Motoren. Ingenieure erforschen revolutionäre neue Technologien, die uns helfen könnten, das Sonnensystem in viel kürzerer Zeit zu durchqueren.

Aufgrund der Umlaufbahnen von Mars und Erde um die Sonne schwankt der Abstand zwischen ihnen zwischen 54,6 Millionen km und 401 Millionen km.

Missionen zum Mars werden gestartet, wenn sich die beiden Planeten nähern. Während eines dieser Ansätze dauert es neun Monate, um mit chemischen Raketen zum Mars zu gelangen – der weit verbreiteten Antriebsform.

Das ist eine lange Zeit für jeden, der auf Reisen ist. Aber Ingenieure, einschließlich derjenigen der US-Raumfahrtbehörde Nasa, arbeiten mit Industriepartnern zusammen, um schnellere Methoden zu entwickeln, um uns dorthin zu bringen.

Also, was sind einige der vielversprechendsten Technologien?

Solarelektrischer Antrieb
Mit solarthermischen Antrieben könnte Fracht vor einer menschlichen Mission zum Mars geschickt werden. Laut Dr. Jeff Sheehy, Chefingenieur in der NASA-Abteilung für Raumfahrttechnik, sollten die Ausrüstung und der Nachschub für Astronauten bereitstehen, wenn sie mit chemischen Raketen eintrafen.

Mit solaren elektrischen Antrieben entfalten sich große Solaranlagen, um Sonnenenergie zu fangen, die dann in Elektrizität umgewandelt wird. Dies treibt ein sogenanntes Hall-Triebwerk an.

Es gibt Vor- und Nachteile. Auf der anderen Seite brauchen Sie viel weniger Treibstoff, damit das Raumschiff leichter wird. Es dauert aber auch länger, bis Ihr Fahrzeug dort ankommt.

“Um die Nutzlast zu transportieren, die wir brauchen würden, würde es wahrscheinlich zwei bis 2,5 Jahre dauern, bis wir dort sind”, sagt Dr. Sheehy der BBC.

“Für die Art von Außenposten, die wir auf dem Mars bauen müssten, damit die Besatzungen monatelang überleben können, und für die Fahrzeuge bräuchte man viel Fracht.”

Aerojet Rocketdyne arbeitet an einem Hall-Triebwerk für die geplante Raumstation Gateway im Mondorbit.

“Solar ist das Beste, weil wir wissen, dass wir es skalieren können”, erklärt Joe Cassidy, Executive Director der Raumfahrtabteilung von Aerojet Rocketdyne.

“Wir haben diese bereits heute auf Kommunikationssatelliten in der Luft. Die Leistung, mit der wir heute fliegen, beträgt 10-15 kW (Kilowatt). Mit dem Gateway wollen wir sie auf über 50 kW skalieren. “

Laut Cassidy ist das Hall-Triebwerk des Aerojet Rocketdyne wesentlich sparsamer als ein Flüssigwasserstoff- und Sauerstoff-Raketentriebwerk.

Eine gute Möglichkeit, den Zugang zum Weltraum zu verbilligen, bestehe darin, weniger Starts zu haben, erklärt er.

“Ich denke, dass der solare elektrische Antrieb eine sehr gute Technologie ist, bei der Xenon als Treibmittel verwendet wird. Die beiden Hauptnachteile sind die Zeit, die benötigt wird, um dorthin zu gelangen, und die Größe der Solaranlagen”, sagt Tim Cichan, ein menschlicher Raumflug Architekt beim Luft- und Raumfahrtkonzern Lockheed Martin.

Dale Thomas, Professor und herausragender Wissenschaftler für Systemtechnik an der Universität von Alabama in Huntsville (UAH), stimmt dem zu.

“Solarstrom funktioniert gut für kleinere Nutzlasten, aber wir haben immer noch Probleme, ihn zu skalieren”, sagt er der BBC.

Er glaubt, dass es eine wichtige alternative Technologie werden könnte, wenn die technischen Herausforderungen gelöst werden können. Derzeit gebe es jedoch noch andere bessere Optionen, wie zum Beispiel den thermischen Atomkraftantrieb.

Kernthermoelektrischer Antrieb
Eine andere Idee ist, chemische Raketen einzusetzen, um von der Erde abzuheben und auf dem Mars zu landen. Aber für den mittleren Teil der Reise schlagen einige Ingenieure vor, einen so genannten thermischen elektrischen Atomantrieb zu verwenden.

Astronauten könnten in Nasas Orion-Kapsel zum Gateway geschickt werden. Die Orion-Mannschaftskapsel würde dann an ein Transferfahrzeug andocken.

Sobald der Orion mit dem Transferfahrzeug verbunden ist, werden die Besatzungskapsel und das Transportmodul mit einer nuklearen elektrischen Rakete zum Mars gebracht, wo sie sich mit einem Mars-Orbiter und einem Lander verbinden, die auf der Mars-Umlaufbahn warten.

In einer thermoelektrischen Atomrakete erwärmt ein kleiner Kernreaktor flüssigen Wasserstoff. Die gasförmige Form des Elements dehnt sich aus und schießt aus dem Triebwerk heraus.

“Wenn wir die Transitzeit [zum Mars] um 30 bis 60 Tage verkürzen können, wird sich die Strahlenbelastung für die Besatzung verbessern”, sagt Cassidy. “Wir betrachten die Kernwärme als Schlüsseltechnologie, da sie schnellere Transitzeiten ermöglichen kann.”

Dale Thomas hat zusammen mit UAH einen Studienvertrag mit der Nasa abgeschlossen, um eine Weltraumrakete mit einem Atomwärmemotor zu entwerfen. Er ist der Meinung, dass nukleare Wärmeelektrizität die am nächsten an der Einsatzbereitschaft liegende neue Motorentechnologie ist.

“Bei einigen Strecken, die wir in meinem Labor zurücklegen, können wir die Transitzeit auf drei Monate verkürzen, was immer noch eine sehr lange Reise ist, aber ungefähr ein Drittel der Zeit, die der chemische Antrieb benötigt, um uns dorthin zu bringen”, sagt er .

Boeing ist nicht so begeistert von nuklearen thermischen Antrieben, weil es sich Sorgen macht, welche Auswirkungen ein Atomreaktor auf Astronauten haben könnte.

Herr Thomas ist anderer Meinung: “Dies ist eine verbreitete Fehlwahrnehmung. Das Wasserstoff-Treibmittel ist ein großartiger Strahlenschutz.

“Die Besatzung wird sich an einem Ende des Fahrzeugs und der Motor am anderen Ende befinden. Vorläufige Schätzungen zeigen, dass die Besatzung durch kosmische Strahlung eine höhere Strahlungsdosis erhält als durch den Kernwärmemotor.”

Er gibt jedoch zu, dass ein Nachteil der Technologie darin besteht, dass sie nicht einfach auf der Erde getestet werden kann.

Die Nasa entwirft jedoch ein Bodentestgerät, das die Abgase scheuert, um radioaktive Partikel zu entfernen, und so Bodentests ermöglicht.

Elektrischer Ionenantrieb
Eine andere Idee ist der elektrische Ionenantrieb. Diese erzeugen Schub, indem sie Ionen – geladene Atome oder Moleküle – mit Elektrizität beschleunigen.

Ionenantriebe werden bereits eingesetzt, um Satelliten im Weltraum anzutreiben. Sie erzeugen aber nur einen geringen Schub – eher wie ein Haartrockner – und haben daher eine geringe Beschleunigung. Mit der Zeit können sie jedoch hohe Geschwindigkeiten erreichen.

Ad Astra sagt, es arbeite an einer Art Triebwerk namens Vasimr, das mithilfe von Radiowellen ein Treibmittel ionisiert und erwärmt und anschließend ein Magnetfeld erzeugt, um die entstehende Partikelsuppe zu beschleunigen – das Plasma. Der Vasimr ist so konstruiert, dass er viel mehr Schub erzeugt als ein normaler Ionenmotor.

Der benötigte Strom kann auf verschiedene Arten erzeugt werden. Aber um Menschen zum Mars zu schicken, möchte das Team einen Atomreaktor einsetzen. Der Vasimr würde Solarstrom für kleinere Nutzlasten verwenden.

Laut Franklin Chang Diaz, President und Chief Executive von Ad Astra, ehemaliger NASA-Astronaut, müssen Missionen mit Besatzung idealerweise in weniger als neun Monaten zum Mars gelangen.

Auf den Roten Planeten zu gehen, ist viel schwieriger als auf den Mond, sagt er.

“Die Lösung ist, schnell zu gehen”, sagt Chang Diaz der BBC. “Für ein Raumschiff mit einem Gewicht von 400 bis 600 Tonnen und einer Leistung von 200 MW (Megawatt) kann der Mars in 39 Tagen erreicht werden.”

Dale Thomas glaubt, dass es schwierig sein wird, den Vasimr zu vergrößern, wie wenn man von der Leistung eines Rasenmähers zu einer Weltraumrakete übergeht. Aber die Technologie ist vielversprechend.

“Wenn oder vielleicht sollte ich sagen, wenn Ad Astra die technischen Herausforderungen von Vasimr lösen kann, scheint es die beste Wahl für elektrische Antriebe im Maßstab von menschlichen Raumschiffen zu sein”, sagt Thomas.

“Die Physik sagt, dass es funktionieren sollte. Ich muss jedoch darauf hinweisen, dass sich Vasimr noch in der Entwicklung im Labor befindet. Es ist noch weit davon entfernt, in jedem Maßstab flugbereit zu sein.”

Herr Chang Diaz sieht kein Problem bei der Skalierung, es gibt nur derzeit keinen Markt für einen 10-MW-Motor, daher bleibt Ad Astra bei 200 kW.

“Wir haben einen Markt für 200-kW-Triebwerke. Im erdnahen Orbit und in der Nähe des Mondes ist viel los, um cis-Erdsatelliten zu bewegen”, sagt Chang Diaz.

Lockheed Martin hält den Vasimr ebenfalls für eine vielversprechende Technologie, konzentriert sich jedoch auf den solaren elektrischen Antrieb.

Der Fall für chemische Raketen
Obwohl die neuen Technologien interessant sind, denken die erfahrenen Weltraumspieler Lockheed Martin und Boeing, dass flüssige chemische Raketen das Fundament jeder menschlichen Mission zum Mars sein müssen.

Lockheed Martin sagt, wir haben bereits die Technologie, die wir brauchen, um zum Mars zu gelangen, und chemische Raketen sind eine bewährte Technologie, die in allen Apollo-Missionen funktioniert hat.

“Wir haben bereits die Technologie, um uns heute zum Mars zu bringen”, sagt Cichan, der frühere Systemarchitekt von Orion.

“Es gibt einige technische Herausforderungen, aber es geht wirklich darum, die Technologie, die wir haben, zu nutzen, die Systeme aufzubauen und Erfahrungen im Tiefraum zu sammeln, die die Arbeit sind, die vor uns liegt, sowie Technologien zu entwickeln, die in Zukunft wegweisend sein werden.”

Wasserstoff-Trägerraketen der oberen Stufe werden seit den 1960er Jahren eingesetzt und weisen eine hohe Erfolgsquote auf, betont er.

“Das Space Launch System (SLS) von Nasa verfügt über vier RS-25-Raketentriebwerke für flüssigen Wasserstoff und Sauerstoff”, sagt Rob Broeren, ein Spezialist für Boeing-Raketenantriebe, gegenüber der BBC.

“Dies sind Shuttle Heritage-Triebwerke, und der Vorteil der RS-25-Triebwerke besteht darin, dass sie sich als bewährte Triebwerke mit hoher Zuverlässigkeit herausstellen.

“Das Schöne an den bewährten Technologien ist, dass Sie sich darauf verlassen können, dass sie auf jeden Fall funktionieren. Mit neuen Technologien klingen sie auf dem Papier gut, aber wenn Sie sie implementieren, werden Sie auf Probleme stoßen, die Sie verzögern werden.”

Wann kommen wir zum Mars?
Eine kürzlich vom Science and Technology Policy Institute (STPI) durchgeführte Studie ergab, dass es unwahrscheinlich ist, dass menschliche Missionen zum Mars dem Zeitplan von Nasa folgen und 2033 beginnen.

Angesichts der Budgetbeschränkungen von Nasa hält STPI es für viel wahrscheinlicher, dass wir 2039 zum Mars aufbrechen, obwohl das Weiße Haus will, dass die US-Raumfahrtbehörde den Mond im Rahmen ihres Artemis-Programms zuerst bis 2024 erforscht.

Dr. Paul Dimotakis, Professor für Luftfahrttechnik von John K. Northrop und Professor für angewandte Physik am California Institute of Technology (Caltech), steht den neuen Technologien und sogar dem chemischen Antrieb skeptisch gegenüber.

“Ich persönlich habe keine Antworten auf technische Fragen zum ausreichenden chemischen Antrieb für die lange Reise erhalten. Es ist nicht bekannt, dass eine Wasserstoff-Sauerstoff-Rakete länger als sechs Monate hält”, sagt er.

“Wir haben keine technische Lösung, die alle Probleme angeht. Außerdem muss jemand dies demonstrieren, bevor wir Menschen zum Mars schicken, und all diese Dinge entsprechen nicht dem Zeitplan von Nasa.”

Via BBC World News

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