RAUMFAHRTTECHNOLOGIE
Kraftwerke im All
von Hans Zekl
für astronews.com
16. September 2002

Raumsonden benötigen Energie. In Sonnennähe werden Solarzellen verwendet, aber schon hinter der Marsbahn reicht die Strahlung der Sonne nicht mehr aus, um genügend elektrische Energie zu erzeugen. Bei der NASA beschäftigt sich man deshalb mit neuen Konzepten für effektivere und bessere Energiequellen, um menschliche oder maschinelle Entdecker durch das Sonnensystem zu schicken.

Setzt auf nukleare Energie: Voyager. Bild: JPL / NASA

Es ist kalt, dunkel und leer im Raum hinter den Planeten des Sonnensystems. Bis dorthin flog nun Voyager 1 auf seiner seit 25 Jahren andauernden Entdeckungsreise. Sein nächstes Ziel ist die Heliopause, die Grenze an der der Einfluss der Sonne endet und der interstellare Raum zwischen den Sternen beginnt. Dort wo sich Voyager zur Zeit befindet ist die Sonne nur noch ein sehr heller Stern am Himmel - sieben Tausend mal schwächer als auf der Erde.

Deshalb besitzt die Raumsonde keine Solarzellen. Sie müssten so riesig sein, dass sie viel zu viel Gewicht hätten, um die Sonde auf die Reise zu schicken. Voyager führt dagegen sein eigenes kleines Kraftwerk mit sich, einen alten thermonuklearen Generator. Darin wird die Wärme, die beim Zerfall radioaktiver Atome frei wird, in elektrische Energie umgewandelt. Bis etwa 2020 wird dieses Kraftwerk die Sonde mit ausreichender Energie versorgen können.

Auch die Sonnensonde Ulysses, zu Deutsch Odysseus setzt auf Kernenergie: Sie wurde 1990 von einem Space Shuttle aus gestartet, um die Pole der Sonne zu erkunden. Um aber über die Sonne zu kommen, musste die Sonde erst den Planeten Jupiter anfliegen. In dessen Schwerefeld wurde sie dann nach oben aus der Bahnebene der Planeten geschleudert. Aber nahe dem Riesenplaneten sind die Strahlen der Sonne 25 mal schwächer als auf der Erde. Solarzellen, die ausreichend Energie bereit stellen könnten, würden ca. 540 kg wiegen. Dadurch hätte sich das Gewicht der Sonde verdoppelt. Kein Shuttle kann aber eine so schwere Nutzlast in eine Erdumlaufbahn bringen. Statt dessen erhielt auch Ulysses einen thermonuklearen Generator, der nur 56 Kilogramm wiegt. Damit werden alle Bordsysteme für die Navigation, Kommunikation und die wissenschaftlichen Instrumente mit elektrischer Energie versorgt. Ulysses braucht einige hundert Watt zum Arbeiten. Im Vergleich dazu benötigen die Systeme des Space Shuttles fünf bis zehn kW, also 50 mal mehr. Die Internationale Raumstation ISS braucht nochmals 10 mal soviel, etwa 100 kW.

Die ISS verlässt aber niemals die Erdumlaufbahn. Das verringert ihren Energiebedarf. Bemannte Raumfahrtmissionen außerhalb des erdnahen Bereichs dagegen benötigen nicht nur Energie für die Bordsysteme, sondern auch für den Antrieb und die Lebenserhaltungssysteme. "Für aufwendige bemannte Missionen, um vielleicht auf den Mond oder zum Mars zu fliegen, braucht man hunderte bis tausend Kilowatt auf der Oberfläche und hunderte bis tausend Kilowatt für das Transportsystem", erläutert John Mankins, Cheftechniker für das Spitzentechnologie-Programm der NASA. "Man kann nicht einfach den Stecker in die nächste Steckdose stecken", fügt er noch hinzu. "Man muss schon seine eigene Energiequelle mitbringen. Am Besten sollte man etwas finden, das sowohl die Energie für den Antrieb als auch für den Betrieb bereit stellt".

Seit den ersten Raketenversuchen am Anfang des 20. Jahrhunderts verwendet man chemische Antriebe, um die Schwerkraft der Erde zu überwinden. Nach einer Brenndauer von fünf bis 15 Minuten ist der Treibstoff verbraucht und das Raumfahrtzeug fliegt seinem Ziel antriebslos entgegen. Neuen Schwung kann es nur bekommen, wenn es die Schwerkraft eines anderen Planeten ausnutzt. Voyager brauchte damit Jahre, um den Saturn zu erreichen. Aber dann konnte die Sonde sich nur ein paar Tage im Saturnsystem aufhalten, in der Nähe des Planeten sogar nur einige Stunden.

Für die nächste Welle bemannter Missionen sieht Jeff Georges vom Johnson Space Center "eine sich entwickelnde Familie für die Energie- und Antriebstechnologie, die zusammen gehören". Voraussichtlich ist der elektrische Antrieb der erste Kandidat. "Im Weltraum selbst braucht man nicht soviel Schub wie beim Überwinden der Erdanziehung", erklärt George, "aber man muss Schub mit sehr wenig Treibstoff erzeugen. Das liegt an den Beschränkungen für das Gewicht. Nach dem Start mit chemischen Mitteln können elektrische Antriebe sehr Treibstoff sparend sein".

Der effektive Impuls ist ein Maß, wie gut Treibstoff in Schub umgesetzt wird. Je größer umso besser. Elektrische Antriebe sind dabei etwa um das zehnfache besser als chemische. Theoretisch sind Verbesserungen bis zu einem Faktor 10 000 denkbar.

Weiter zum 2. Teil: Sind Ionen-Antrieb, Fusionsreaktoren und Antimaterie-Triebwerke die Lösung?