Von der NASA entwickelte elektrische Triebwerke ermöglichen es kommerziellen Satelliten, die Umlaufbahn aufrechtzuerhalten und die Lebensdauer der Mission zu verlängern

Die NASA-Raumsonde Dawn nutzte ein hocheffizientes Ionentriebwerk, um Ceres und Vesta im Asteroidengürtel zu besuchen. Diese elektrische Antriebsmethode wird jetzt von Orbion Space Technology für Kleinsatelliten hergestellt. (Bild:NASA)

Ähnlich wie Lebensmittel sind Satelliten haltbar.

Im erdnahen Orbit sind Satelliten einem winzigen atmosphärischen Widerstand ausgesetzt, der mit der Zeit dazu führt, dass sie langsamer werden und ihre Umlaufbahn beeinträchtigt. Triebwerke werden verwendet, um die Umlaufbahnen zu beschleunigen, damit die Satelliten im Weltraum bleiben können. Aber wenn ihnen der Treibstoff ausgeht, summiert sich der Luftwiderstand und der Satellit wird schließlich wieder in die Atmosphäre eintreten.

Obwohl sie notwendig sind, um sicherzustellen, dass diese Satelliten über Jahre hinweg funktionsfähig bleiben, verwenden die meisten dieser Triebwerke chemische Treibstoffe, die schwer sind und viel Lagerraum benötigen. Doch ein Unternehmen aus der oberen Halbinsel von Michigan versucht, dieses Problem mit Hilfe einer Technologie zu lösen, die die NASA verfeinert hat.

Die Aurora-Triebwerke von Orbion sind klein und effizient, aber dennoch leistungsstark genug, um die Umlaufbahnen kleiner Satelliten mehrere Jahre lang aufrechtzuerhalten. (Bild:Orbion Space Technology Inc.)

Orbion Space Technology aus Houghton, MI, wurde 2016 von Brad King und Jason Sommerville gegründet, die beide bereits Erfahrung in der Arbeit an Projekten bei der NASA oder von dieser finanzierten Projekten hatten. Die beiden sahen einen Markt für Möglichkeiten, Satelliten entweder länger im Orbit zu halten oder mehr Nutzlast als Treibstoff zu transportieren. Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, war ein Triebwerk erforderlich, das überhaupt nicht viel Treibstoff benötigt.

Hall-Effekt-Triebwerke, eine Art der Ionentriebwerkstechnologie, nutzen Elektrizität statt chemischer Reaktionen, um Raumfahrzeuge anzutreiben. Hall-Effekt-Triebwerke nutzen die Ladung eines elektrischen Feldes, um einen gasförmigen Treibstoff zu beschleunigen, am häufigsten ein Edelgas wie Xenon. Die NASA hat Ionentriebwerke für eine Handvoll interplanetarer Missionen eingesetzt, beispielsweise für die Raumsonde Dawn, die Ceres besuchte, und für die Mission Double Asteroid Redirection Test (DART), um einen Asteroiden zu treffen.

Die Gründer von Orbion sahen, wie sich die Technologie von einem experimentellen Konzept zu einem regelmäßigen Einsatz auf Missionen rund um das Sonnensystem entwickelte, aber damit das Unternehmen diese Triebwerke für Satellitenbetreiber nutzbar machen konnte, mussten sie sich an Experten wenden.

Dieses Hall-Effekt-Triebwerk, das im Glenn Research Center getestet wird, wandelt Elektrizität und Inertgas in Kraft um, die ein Raumschiff antreiben könnte. Orbion Space Technology wurde gegründet, um die hohe Effizienz dieser Triebwerke auf kleine kommerzielle Satelliten zu übertragen, und das Unternehmen suchte die Hilfe des Zentrums, um dies Wirklichkeit werden zu lassen. (Bild:NASA)

Das Glenn Research Center der NASA in Cleveland war maßgeblich an der Entwicklung von Ionentriebwerken für die wissenschaftlichen Missionen der Agentur beteiligt, entwarf und bewertete die Triebwerke für die Dawn- und DART-Missionen und arbeitete allgemein an der Verbesserung der Technologie.

Orbion hat mit Glenn eine Datennutzungsvereinbarung abgeschlossen, um detaillierte Informationen über die Entwicklung dieser Motoren sowie eine nicht exklusive Evaluierungslizenz zu erhalten. Einer der Gründe, warum Orbion sich an die NASA wandte, waren die Fortschritte der Agentur in der Materialforschung für Ionentriebwerke sowie die von Glenn entwickelte Kathodenheizung, die den elektrischen Wirkungsgrad und die Betriebslebensdauer verbessert.

„Wir begannen mit der Diskussion über Heizgeräte, aber es gab auch andere Diskussionen, in denen es um weitere Aspekte ging, die sie nutzen können“, sagte Timothy Verhey, Luft- und Raumfahrtwissenschaftler in der Abteilung für elektrische Antriebssysteme bei Glenn. „In vielerlei Hinsicht werden wir für viele Unternehmen zum Wissensbewahrer.“

Im Laufe der Vereinbarung hatte Orbions Team viele Interaktionen mit Forschern bei Glenn. Dazu gehörten sowohl direkte technische Hilfe als auch einige Exkursionen zum Zentrum.

„Wir wurden dorthin eingeladen, um ihnen beim Aufbau komplexer Komponenten zuzusehen und uns Notizen darüber zu machen, wie sie ihre Systeme konfigurierten“, sagte Jason Makela, Vizepräsident für Technik bei Orbion. „Wir können auch zum Telefon greifen und dort jemanden anrufen, und er wird verrückt.“

Das Endergebnis ist, dass die Triebwerke von Orbion, die unter dem Namen Aurora firmieren, genauso leistungsfähig sind wie die, die die NASA für Weltraummissionen baut, mit sehr hohem Delta-V und spezifischem Impuls, Messungen des Aufwands, der zur Geschwindigkeitsänderung erforderlich ist, sowie Schubeffizienz. Das Produkt von Orbion ist außerdem hochgradig konfigurierbar, sodass es an alles angepasst werden kann, was ein Satellit benötigt, um im Orbit zu bleiben.

Orbion hat mehrere der Aurora-Triebwerke sowohl an die Regierung als auch an Unternehmen des privaten Sektors verkauft. Kürzlich hat das Unternehmen einen Vertrag mit einem großen kommerziellen Satellitenbetreiber über die Lieferung von Ionentriebwerken für seine neue Konstellation von Erdbeobachtungsraumfahrzeugen abgeschlossen. Makela sagte, ohne den reichen Erfahrungsschatz der NASA, der sowohl innerhalb als auch außerhalb des Unternehmens genutzt wird, wäre Orbion nicht in der Lage gewesen, dorthin zu gelangen, wo es heute ist.

„Es ist großartig, mit diesen Fachexperten mit Vornamen zu sprechen“, sagte Makela. „Wir konnten hier wirklich auf den Schultern von Giganten stehen.“

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