Ein elektrisches Raumfahrttriebwerk, das im Flug zwischen hohem Schub und sparsamem Betrieb wechseln kann: Daran arbeiten die Technische Hochschule Mittelhessen (THM), die Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) und das Gießener Start-up „The Plasma Rocket Company“ (PRC) im Projekt HELIOS.
Elektrische Antriebe sind aufgrund ihres geringen Treibstoffbedarfs im Vergleich zu chemischen Raketen aus der Raumfahrt nicht mehr wegzudenken. Die etablierten Bauformen wie Hall-Effekt- oder Ionentriebwerke arbeiten jedoch nur in einem engen Betriebsfenster – sie sind sehr effizient, leisten meist aber nur einen sehr geringen, dauerhaft wirkenden Schub ohne große Variabilität. Künftige Vorhaben erfordern jedoch einen Antrieb, der je nach Bedarf zwischen hohem Schub oder hoher Treibstoffeffizienz umschalten kann. Dort setzt das Verbundprojekt HELIOS an, das von der THM koordiniert wird.
„Hochtechnologie für die Raumfahrt entsteht nicht nur in Bremen, München oder Toulouse, sondern auch in Mittelhessen“, hebt Prof. Dr. Chris Volkmar hervor. Er erläutert: „Das Hochfrequenz-Ionentriebwerk wurde in den 1960er-Jahren an der JLU erfunden, und bis heute wird dort in hochmodernen Testanlagen intensiv daran geforscht. Darauf bauen wir auf: Vom Triebwerk eines Gießener Start-ups bis zur Leistungselektronik aus unserer Arbeitsgruppe entsteht hier echte Raumfahrthardware“. Wenn Europa im All unabhängiger werden wolle, brauche es solche Schlüsseltechnologien. Dies sieht auch das Land Hessen und fördert das Projekt im Programm LOEWE für 18 Monate mit knapp 384.000 Euro. Ziel ist es, in diesem Zeitraum den HELIOS-Prototyp erstmals in einer Weltraumsimulationsanlage zu betreiben und seinen Schub zu vermessen.
Die Arbeitsgruppe Raumfahrtelektronik der THM unter der Leitung von Prof. Volkmar entwickelt den Hochfrequenzgenerator mit besonders verlustarmer Schaltungstopologie. Der Generator erzeugt mit einer Leistung von bis zu einem Kilowatt aus Gas das benötigte Plasma. PRC entwickelt und überarbeitet den Triebwerksprototyp. Dieser nutzt ein dem Auto nicht unähnliches System: Statt Zündkerze entfacht eine kapazitiv gekoppelte Vorstufe das Plasma mit einem gezielten Impuls, anschließend übernimmt eine Magnetspule – eine induktiv gekoppelte Hauptstufe –, die das Treibgas im gesamten Innenraum aufheizt und ionisiert. Eine Magnetdüse formt schließlich am Austritt den schuberzeugenden Strahl. Auf verschleißanfällige Beschleunigungsgitter, die in üblichen Ionentriebwerken die Ionen erst beschleunigen, wird dabei verzichtet. Da die Entladung bei einem höheren Gasdruck arbeitet als bei herkömmlichen Triebwerken, stehen pro Sekunde mehr Teilchen für den Schub zur Verfügung. Angestrebt sind flexible 10 bis 100 Millinewton bei 200 bis 1000 Watt elektrischer Leistung – mit ein und demselben Triebwerk. Veranschaulichend: Im sparsamen Reisemodus benötigt der Antrieb kaum mehr Strom als eine Spielekonsole und wirkt dabei mit dem zarten Druck von etwa einer Büroklammer auf der Hand, während er beim Beschleunigen die Leistung eines Haarföhns erbringt und so viel Druck ausübt wie zwei Euro-Münzen.
Die Arbeitsgruppe Ionentriebwerke der JLU um Prof. Dr. Peter J. Klar passt ihre Weltraumsimulationsanlage, in der elektrische Triebwerke nach ESA-Spezifikationen vermessen werden, an die benötigten Parameter von HELIOS an und vermisst den Strahl mit Plasma- und Strahldiagnostik. Zunächst wird das Triebwerk mit bis zu 500 Watt betrieben, anschließend wird der Generator auf 1000 Watt erweitert und das vollständige Kennlinienfeld aufgenommen.
Am Projektende im April 2028 sollen ein unter weltraumähnlichen Bedingungen charakterisierter Demonstrator aus Triebwerk und Leistungselektronik sowie die Auslegungsdaten für einen Flugprototyp stehen. Dessen Konstruktion wäre ein möglicher weiterer Schritt.
Mit HELIOS bündeln Forschung und Innovation in Mittelhessen ihre Kräfte, um Maßstäbe in der Raumfahrtantriebstechnik zu setzen. Das Zusammenspiel aus Triebwerksentwicklung, Leistungselektronik und Testinfrastruktur bietet nicht nur optimale Bedingungen für wissenschaftlichen Fortschritt, sondern eröffnet auch Studierenden des gemeinsamen Studiengangs „Physik und Technologie für Raumfahrtanwendungen“ die Chance, aktiv an zukunftsweisenden Projekten mitzuwirken.
Quelle: www.thm.de
