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1. Flugzeuge:
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2. Raumfahrt: Visionen und Realität / Nutzen für Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft 2.1 Raumfahrt und Astronomie - heute und in Zukunft (externer Link) 2.2 Bildergalerie vom NASA-Zentrum Cape Canaveral (externer Link) 2.3 Technik - Antriebssysteme Tabelle mit verschiedenen Antriebssystemen (aus Spektrum der Wissenschaft 6/2000)
Alle Raketentriebwerke beruhen auf dem Prinzip des Rückstoßes. Doch je nach Wahl des Materials, mit dem man den Rückstoß erzeugt, können die verschiedenen Triebwerkstypen sehr unterschiedliche Leistungen sowie spezifische Vor- und Nachteile haben. Welche Antriebstechniken eignen sich nun besonders für einen bemannten Marsflug? Der grundsätzliche Zwiespalt besteht hierbei zwischen der Schubkraft einer Rakete und ihrem Treibstoffverbrauch. Systeme mit hohem Schub sind sozusagen die „Sprinter“. Sie beschleunigen schneller, verbrauchen aber auch mehr Triebstoff. Systeme mit niedrigem Schub – gewissermaßen die „Schleicher“ – beschleunigen langsamer, verbrauchen jedoch weniger Treibstoff. Es könnten durchaus beide Systeme zum Einsatz kommen: die „Sprinter“ für den Transport der Mannschaft, die „Schleicher“ für unbemannte Frachtschiffe.
Vor einem Jahr bestand die Raumsonde „Deep Space 1“ den ersten interplanetaren Test eines Ionentriebwerks. Mit 2,5 Kilowatt Leistung – gespeist aus Solarzellen – lieferte es einen steten Schub von 0,1 Newton. Ein Marsraumschiff würde allerdings einige Megawatt an Leistung benötigen. Die damit verbundene Belastung würden die Metallgitter nicht überstehen. Zudem müssten große Ionenantriebe ihren Betriebsstrom ebenfalls aus Kernreaktoren beziehen, da Solarzellenpaddel ab einer Leistung von 100 Kilowatt recht unhandlich werden. Auch so genannte Hall-Effekt-Triebwerke beschleunigen positiv geladene Teilchen (meistens Xenon) mittels eines elektrischen Feldes. Der Vorteil gegenüber einem Ionentriebwerk besteht darin, dass man keine Metallgitter benötigt und sich deshalb auch höhere Leistungen erreichen lassen sollten. Ein Ringmagnet erzeugt ein radiales Magnetfeld, das Elektronen auf eine kreisförmige Bahn zwingt. Diese Bewegung der Elektronen lässt ein axial gerichtetes elektrischen Feld entstehen, das schließlich den ionisierten Treibstoff beschleunigt. Die Effizienz solcher Hall-Effekt-Antriebe ist zwar geringer als die von Ionentriebwerken, doch kann sie durch Anfügen einer zweiten Beschleunigungsstufe erhöht werden. nachdem russische Satelliten bereits seit Anfang der siebziger Jahre mit Hall-Effekt-Triebwerken im Einsatz sind, erfolgt die weitere Entwicklung in einem amerikanisch-russischen Gemeinschaftsprojekt. Bisher wurde mit einer elektrischen Leistung von fünf Kilowatt ein Schub von 0,2 Newton erreicht. Magnetplasmadynamische Antriebe beschleunigen geladene Teilchen mit magnetischen statt mit elektrischen Feldern. Das Triebwerk besteht aus einer trichterförmigen Anode und einer zentralen stabförmigen Kathode. Die zwischen beiden Elektroden angelegte Spannung ionisiert den Treibstoff und erlaubt so einen Stromfluss radial durch das Gas zur Kathode. Dort ruft dieser Strom ein kreisförmiges Magnetfeld hervor, das zusammen mit dem Stromfluss im Gas Teilchen in axialer Richtung beschleunigt. Als Treibmittel eignen sich – in der Abfolge steigender Ausbeuten – Argon, Lithium und Wasserstoff. Nachdem an verschiedenen Instituten in Russland, Japan, Deutschland und den USA solche Triebwerke untersucht wurden, hat sich die Nasa letztes Jahr entschlossen, einen ersten 1-Megawatt-Prototypen zu bauen. Auch pulsations-induktive Triebwerke werden wieder erforscht. Ein Gas (meistens Argon) entströmt stoßweise einer Düse und verteilt sich entlang einer flachen, etwa einen Meter breiten Drahtspule. Anschließend entladen sich einige Kondensatoren in einem Spannungspuls von etwa zehn Mikrosekunden Dauer in die Spule. Das von diesen Pulsen hervorgerufene radiale Magnetfeld induziert ein kreisförmiges elektrisches Feld im Gas, das jenes ionisiert und die Teilchen genau in die entgegengesetzte Richtung zum anfänglichen Spannungspuls treibt. Da diese Bewegungsrichtung senkrecht auf dem Magnetfeld steht, werden die Ionen schließlich aus dem Triebwerk herausgeschleudert. Im Gegensatz zu anderen Antriebstechniken werden hier keine Elektroden benötigt, die verschleißen könnten. Die Leistung lässt sich einfach durch Erhöhen der Pulsrate steigern. Für ein 1-Megawatt-Triebwerk werden 200 Pulse pro Sekunde benötigt.
Die Lücke zwischen Raketensystemen mit hohem und niedrigem Schub könnte ein innovatives Antriebssystem schließen: VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket, etwa: impulsveränderlicher Magneto-Plasma-Antrieb). Nach diesem Prinzip wird der Treibstoff – meistens Wasserstoff – zunächst mittels Radiowellen ionisiert und dann in eine von Magnetfeldern durchzogene Zentralkammer geleitet. Dort laufen die Teilchen mit einer bestimmten Eigenfrequenz spiralförmig um die Magnetfeldlinien herum. Durch Einstrahlen von Radiowellen genau jener Frequenz werden die Teilchen auf zehn Millionen Grad aufgeheizt. Am Auslass der Kammer, wo sich ein weiteres Magnetfeld befindet, wird die Spiralbewegung der Teilchen in eine axiale Bewegung übergeführt. Durch Feineinstellungen der Heizung sowie des Magnetfeldes lässt sich der erzeugte Schub regulieren. Hierdurch erhält man gewissermaßen eine Zweigangschaltung. Durch Verengen der magnetischen Drossel reduziert sich die Zahl der ausströmenden Teilchen (und somit der Schub), wobei aber deren Temperatur (und somit die Ausströmgeschwindigkeit) hoch bleibt – das Triebwerk befindet sich im hohen Gang. Öffnen der Drossel entspricht dem Schalten in einen niedrigeren Gang: hoher Schub, jedoch niedrige Ausströmgeschwindigkeit und Effizienz. Ein Marsraumschiff könnte also in einem niedrigen Gang plus Nachbrenner erst die Erdumlaufbahn verlassen und anschließend für den interplanetaren Flug in einen höheren Gang schalten. Die Nasa plant den Testflug eines 10-Kilowatt-Prototyps für das Jahr 2004. Eine Marsmission benötigte dagegen eine Leistung von 10 Megawatt. Sonnensegel weisen das extremste Verhältnis zwischen Schub und Treibstoffeffizienz auf. Angetrieben werden sie durch den sanften, aber konstanten – und kostenlosen – Strahlungsdruck des Sonnenlichts. Um eine Nutzlast von 25 Tonnen damit in einem Jahr von der Erde zum Mars transportieren zu können, müsste ein solches Segel eine Fläche von mindestens vier Quadratkilometern aufweisen. Das Material dürfte dabei nicht mehr wiegen als ein Gramm pro Quadratmeter. Moderne Kohlenstoffverbindungen erreichen schon fast diese extreme Leichtigkeit. Allerdings ist das Entfalten einer solch großen, aber zugleich zerbrechlichen Struktur offenbar nicht so einfach. Während 1993 ein erster Versuch des russischen Space-Regatta-Konsortiums mit einem 300 Quadratmeter großen Weltraumspiegel gelang, schlug ein zweiter Test fehl. Die Nasa entwickelte erst vor kurzem die Idee eines „Magnetsegels“, das den ebenfalls relativ konstant von der Sonne her wehenden Strom geladener Teilchen, den Sonnenwind, nutzen soll.
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Fast alle der bisher eingesetzten
Raketentriebwerke nutzen chemische Treibstoffe, die entweder in flüssiger oder fester Form vorliegen. Durch das Verbrennen des Treibstoffs und die Expansion der heißen Abgase in einer
Düse entsteht ein Schub in Gegenrichtung zum ausströmenden Gas. Solche chemischen Triebwerke liefern mehr Schub als viele andere Antriebsformen, doch ist ihre Effizienz geringer. Ein
Marsraumschiff mit dieser Antriebstechnik würde gewaltige Mengen an Treibstoff benötigen. Eines der Konzepte sieht ein Raumfahrzeug mit einem Startgewicht von 233
Tonnen vor, von denen allein 166 Tonnen auf dem Treibstoffvorrat aus flüssigem Wasser- und Sauerstoff entfallen.
Schon in den sechziger Jahren erprobten
die USA nuklear-thermische Antriebe am Boden. Flüssiger Wasserstoff wird durch einen Reaktor mit festem Kern geleitet und erhitzt sich dort auf Temperaturen von mehr als 2500 Grad Celsius. Anschließend
entweicht er mit hoher Geschwindigkeit durch eine Raketendüse. Solche Triebwerke erzeugen hierbei einen mehr als doppelt so hohen Impuls pro Kilogramm
Treibstoff als die besten chemischen Raketenmotoren und stellen mit ihrem Kernreaktor sogar noch Elektrizität bereit. Ein 170 Tonnen schweres bemanntes Raumschiff, das mit
drei nuklear-thermischen Antrieben sowie 90 Tonnen flüssigen Wasserstoffs bestückt wäre, könnte Mars in sechs bis sieben Monaten erreichen. Weil jedoch der Einsatz von
Kernreaktoren im Weltraum auf Widerstand der Öffentlichkeit stößt, hat die Nasa nuklear-thermische Antriebe seit fast einem Jahrzehnt nicht mehr weiter erforscht.
Ein Ionentriebwerk, wie es erstmals in den
fünfziger Jahren entwickelt wurde, beschleunigt den Treibstoff nicht durch Verbrennung, sondern durch elektrische Felder. Ihr gasförmiger Treibstoff, wie zum Beispiel Cäsium oder Xenon, strömt in
eine Kammer, wo er von einer Elektronenkanone (ähnlich der in Fernsehgeräten) ionisiert wird. Die an einem Metallgitter-Paar anliegende Spannung beschleunigt die positiv geladenen Ionen, sodass sie durch das
Gitter in die Leere des Alls hinausschießen. Eine Kathode am rückwärtigen Teil des Triebwerks pumpt währenddessen Elektronen in den Ionenstrahl, um zu verhindern, dass sich das Raumschiff negativ auflädt.
