Eine Übersicht elektrischer Raumfahrtantriebe

Abstract

Um die Entwicklung elektrischer Raumfahrtantriebe (Electric Propulsion – EP) am DLR vorzubereiten, wurde eine Übersicht über die vorhandenen Technologien erstellt um den Stand der Technik abzubilden und Entwicklungspotentiale aufzudecken. Diese Übersicht beschränkt sich dabei auf Triebwerkstypen, welche kommerziell erhältlich sind, da es eine extrem große Anzahl an Labormodellen gibt, die den Rahmen dieser Studie sprengen würde. Einige wichtige Konzepte, welche bis jetzt aber nur im Labor erprobt wurden, werden aber vorgestellt. Die vorgestellten Triebwerkstypen wurden in einer Datenbank eingetragen und nach verschiedenen Parametern (Leistung, Schub) und ihrem Technology Readiness Level (TRL) klassifiziert. Auf Basis dieser Datenbank und zusätzlicher Literaturrecherche, auch unter Berücksichtigung anderer Studien, werden die Probleme der vorhandenen Triebwerkstechnologien herausgearbeitet, um Potentiale für zukünftige Entwicklungen aufzudecken. Dabei wurde auf alle verbreiteten Technologien eingegangen und die physikalischen und technischen Konzepte dieser Triebwerke erläutert. Eine der Herausforderungen dabei ist, dass viele neuere Triebwerkskonzepte nicht über den Status eines Labormodells hinauskommen, da es an Möglichkeiten fehlt, diese zu qualifizieren oder sogar auf Missionen einzusetzen. Dies ändert sich langsam für kleine Leistungen auf CubeSat-Missionen, der Prozess kann und sollte aber weiter unterstützt werden. Für EP großer Leistungen müssen bessere Methoden zur Qualifikation gefunden werden. Die Schlussfolgerung aus dieser Analyse ist, dass es bei vorhandenen Triebwerkstechnologien hauptsächlich drei Schwierigkeiten gibt, die mit neuen Entwicklungen zu lösen sind: Treibstoffverfügbarkeit, Erosion der Elektroden, Gitter und Neutralisatoren sowie die geringe Schubdichte. Dabei wird deutlich, dass die momentan eingesetzten Triebwerke, vor allem die Gitter-Ionen Triebwerke, viele dieser Anforderungen nur mit großen Schwierigkeiten oder gar nicht erfüllen können. Zumindest die ersten beiden Probleme lassen sich durch elektrodenlose Triebwerkskonzepte wie mit Plasmaerzeugung durch RadioFrequenz (RF) oder Mikrowellen (MW) sowie mit elektromagnetischer Beschleunigung in magnetischen Düsen lösen. Daher ist es ein vielversprechender Ansatz, ein elektrodenloses Triebwerkskonzept am DLR selbst zu entwickeln, wie auch gleichzeitig ein Triebwerk kleinerer Leistung für Lageregelungsaufgaben. Diese Entwicklungen lassen sich in die Entwicklung einer Plasmaquelle sowie die Entwicklung von magnetischen Düsen aufteilen. Hierbei kommt insbesondere der Entwicklung und Erforschung der magnetischen Düse eine hohe Bedeutung zu, da bei dieser Technologie noch viele offene Fragen zu klären sind. Zusätzlich zu der experimentellen Entwicklung und Erforschung elektrischer Raumfahrtantriebe müssen Kapazitäten im Bereich der Modellierung und Simulation eben dieser aufgebaut werden.