Ein Treibstoff für zwei Antriebe: kleine Satelliten fliegen weiter

Raumschiffe haben bisher ein Problem: Sie brauchen zwei verschiedene Antriebssysteme, wenn sie sowohl schnell manövrieren als auch sparsam lange Strecken zurücklegen wollen. Chemische Triebwerke liefern kurze, kräftige Schübe – etwa zum Abbremsen oder Richtungswechsel. Elektrische Triebwerke dagegen sind extrem sparsam und eignen sich für lange Reisen, weil sie über Wochen und Monate hinweg ganz sanft Schub geben. Bislang benötigten beide Systeme eigene Treibstoffe und eigene Tanks – das macht Satelliten schwer, komplex und teuer.

Forschende des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben nun gezeigt, dass ein einziger Treibstoff beide Aufgaben übernehmen kann. Der Treibstoff heißt ASCENT – eine Abkürzung für „Advanced SpaceCraft Energetic Non-Toxic“. Ursprünglich wurde er von der US-Luftwaffe als ungiftige Alternative zum hochgiftigen Hydrazin entwickelt, das bisher oft in chemischen Triebwerken zum Einsatz kommt. ASCENT ist eine ionische Flüssigkeit – das heißt, sie besteht fast vollständig aus geladenen Teilchen, sogenannten Ionen. Genau solche Flüssigkeiten nutzt das MIT-Team um Paulo Lozano seit Jahren für seine elektrischen Triebwerke.

Die Idee war naheliegend: Wenn ASCENT ohnehin eine ionische Flüssigkeit ist – warum sollte sie nicht auch in den elektrischen Triebwerken funktionieren? Die Forscherin Amelia Bruno, Hauptautorin der im Journal of Propulsion and Power veröffentlichten Studie, testete den Treibstoff in sogenannten Electrospray-Triebwerken. Das sind miniaturisierte Antriebe, etwa so groß wie ein Daumennagel. Sie erzeugen Schub, indem sie Ionen aus der Flüssigkeit durch winzige Düsen ins All schleudern – ähnlich wie bei einer Sprühdose, nur mit elektrischer Spannung statt Druck.

Die Tests waren erfolgreich: ASCENT trieb die Electrospray-Triebwerke genauso effizient an wie die bisher verwendeten ionischen Flüssigkeiten. Über 100 Stunden Dauerbetrieb hinweg blieb die Leistung stabil. „Jetzt, wo wir wissen, dass unsere Triebwerke mit ASCENT funktionieren, können wir darüber nachdenken, wie wir sie noch besser machen“, sagt Bruno.

Der entscheidende Vorteil: Ein Satellit mit einem einzigen Tank kann beide Welten nutzen. Für den Langstreckenflug zum Mars oder zum Asteroidengürtel schaltet er die sparsamen Electrospray-Triebwerke ein. Kommt er in der Nähe eines interessanten Ziels an, zündet er kurz das chemische Triebwerk, um schnell die Position zu wechseln oder zu bremsen. „Man hätte dann viel mehr Flexibilität, um viel mehr Dinge zu tun“, sagt Paulo Lozano, Professor am MIT und Mitautor der Studie.

Die NASA wird die Technologie noch in diesem Jahr testen. Die Mission heißt „Green Propulsion Dual Mode“ und startet im November. Ein würfelförmiger Satellit von der Größe eines Koffers – ein sogenannter CubeSat – wird mit einem chemischen und vier elektrischen Triebwerken ausgerüstet, die alle aus einem einzigen Tank gespeist werden. „Das wird das erste Mal sein, dass ein Satellit einen gemeinsamen Treibstofftank hat“, sagt Lozano.

Sollte der Test gelingen, könnten kleine Satelliten künftig weit über die Erdumlaufbahn hinausfliegen – zum Mars, zu Asteroiden oder zu anderen Planeten. Bislang waren solche Missionen großen, teuren Raumschiffen vorbehalten. Die neue Technologie könnte die Erforschung des Sonnensystems deutlich günstiger und zugänglicher machen.