Wie alle anderen Technologien ist die Satellitentechnologie in den letzten Jahrzehnten sprunghaft gewachsen. Satelliten können die Erde in immer höheren Auflösungen überwachen und bei allem helfen, von der Sturmvorhersage über die Überwachung des Klimawandels bis hin zur Vorhersage von Ernteerträgen. Aber es gibt eine Sache, die Satelliten immer noch zurückhält: die Höhe.
Satelliten könnten mehr Daten mit besseren Auflösungen sammeln, wenn sie niedriger und näher an der Erde kreisen könnten. Kommunikationssatelliten hätten auch eine geringere Latenz. Aber je näher sie kommen, desto größer ist der atmosphärische Widerstand, der ihre Bahnen zu zerfallen schneller, manchmal in nur wenigen Wochen.
Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) könnte eine Lösung haben: Lassen Sie die Satelliten atmen.
Die meisten Satelliten umkreisen die Erde nicht näher als etwa 300 km (190 Meilen). Je näher ein Satellit an der Erde ist, desto dichter sind die atmosphärischen Gase. Wenn Sie einen Satelliten in geringer Höhe platzieren, wird seine Umlaufbahn aufgrund des Widerstands schneller abklingen. Der Hubble zum Beispiel kreist bei etwa 540 km (336 mi). Die Internationale Raumstation umkreist zwischen 330 km (205 mi) und 410 km (255 mi), aber sie hat Triebwerke, um ihre Umlaufbahn zu steigern.
Klicken um zu vergrößern. Diese Grafik veranschaulicht die Orbitalhöhen einiger Erdsatelliten. Bildnachweis: Von Rrakanishu – Eigene Arbeit, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4189737
Die Triebwerke auf der ISS sind nicht auf Satelliten anwendbar, das System der ESA jedoch. Es handelt sich um ein luftatmendes Staustrahlsystem, das im Rahmen des General Support Technology Program (GSTP) der ESA entwickelt wird. Das GSTP ist ein Programm im Inkubator-Stil, das vielversprechenden Konzepten hilft, zu einer nutzbaren Technologie zu reifen.
Mit diesem System – entwickelt von der ESA, dem Von-Karmann-Institut und dem Politechnico di Milano – wird das Problem des Luftwiderstands zu einer eigenen Lösung. Da die Atmosphäre dichter an der Erde wird, enthält diese Atmosphäre auch mehr Sauerstoff. Dieses System kann diesen knappen Sauerstoff sammeln und als Treibstoff verwenden, um Satelliten in niedrigeren Höhen als zuvor in der Umlaufbahn zu halten.
Eine hypothetische zukünftige luftatmende Weltraummission im niedrigen Orbit um die Erde. Bildquelle: ESA
Die ESA hat in der Vergangenheit Satellitenantriebssysteme getestet, darunter eines, das 40 kg Xenon als Treibstoff trug. Es wurde genannt GOC E oder Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer. Da er näher an der Erde arbeitete als andere Satelliten, war er in der Lage, die Schwerkraft der Erde genauer als je zuvor zu kartieren. Aber sein Xenon-Treibstoff ging nach etwa 3,5 Jahren aus und er wurde beim Eintritt in die Atmosphäre zerstört.
Aber dieses neue System braucht kein Xenon. Es verwendet den dünnen Sauerstoff in der oberen Atmosphäre als Treibstoff für sein Ionentriebwerk, und diese Innovation könnte das Leben von Satelliten in niedrigerer Höhe um Jahre verlängern.
Luftmoleküle an der Spitze der Atmosphäre werden durch eine neuartige Art von Einlass eingefangen, dann gesammelt und komprimiert, bis sie zu thermalisiertem ionisiertem Plasma werden, wo sie dann mit einer elektrischen Ladung beschleunigt und ausgestoßen werden können, um Schub zu erzeugen . Luftatmender elektrischer Antrieb könnte eine neue Klasse langlebiger Missionen in niedriger Umlaufbahn ermöglichen. Bildquelle: ESA–A. Di Giacomo
Das Sammeln der dünnen Atmosphäre erfordert eine ganz speziell konstruierte Aufnahme. Die italienische Firma Sitael baute ein komplettes Testtriebwerk und setzte es in einer Vakuumkammer ein, wobei die Kammer Bedingungen in einer Höhe von 200 km (124 Meilen) simulierte. Ein Partikelströmungsgenerator erzeugte die simulierte Atmosphärenströmung in dieser Höhe.
Das schlichte Design des Systems macht es noch attraktiver. Es gibt keine beweglichen Teile. Alles ist relativ einfach und passiv. Benötigt wird lediglich Strom aus dem Bordnetz des Satelliten.
Das von Sitael gebaute Teststrahlruder. Der rechte Einlass sammelt Luftmoleküle, sodass sie, anstatt einfach wegzuspringen, gesammelt und komprimiert werden. Die durch die Aufnahme gesammelten Moleküle erhalten elektrische Ladungen, damit sie beschleunigt und ausgestoßen werden können, um Schub zu erzeugen. Bildquelle: ESA/Sitael
Im Test hat das System gut abgeschnitten. Ursprünglich wollten sie die Fähigkeit testen, genügend Luft zu sammeln und zu komprimieren, damit das Gerät funktioniert. Aber sie beschlossen, es weiter zu testen.
Sie schlossen ein elektrisches Triebwerk an, um zu sehen, ob das System genügend Druck für die Zündung sammeln und unter Druck setzen konnte. Zuerst versuchten sie es mit Xenon, und es war erfolgreich. Dann ersetzten sie einen Teil des Xenons durch ein Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch, und das war auch erfolgreich.
In der ersten Testphase wurde Xenon als Kraftstoff verwendet und es leuchtete blau. Als sie von Xenon auf Sauerstoff-Stickstoff umstellten, änderte sich die Farbe und sie wussten, dass der Test erfolgreich war. Bildquelle: ESA/Sitael
Im letzten Test wurde das Xenon komplett durch das Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch ersetzt und konnte sich immer wieder entzünden.
„Als sich die auf Xenon basierende blaue Farbe der Triebwerksfahne in Violett änderte, wussten wir, dass wir erfolgreich waren“, sagte Louis Walpot von der ESA. „Das System wurde schließlich immer wieder ausschließlich mit atmosphärischen Treibmitteln gezündet, um die Machbarkeit des Konzepts zu beweisen.“
„Dieses Ergebnis bedeutet, dass der luftatmende elektrische Antrieb nicht mehr nur eine Theorie ist, sondern ein greifbares, funktionierendes Konzept, das entwickelt werden kann, um eines Tages als Grundlage einer neuen Klasse von Missionen zu dienen“, sagte Walpot in a Pressemitteilung .
Seit diesen Tests sind einige Jahre vergangen, und das System befindet sich noch in der Entwicklung. Wenn es praktisch funktioniert, hat es großes Potenzial. Die ESA sagt, dass das System es Satelliten ermöglichen könnte, kontinuierlich in Höhen zwischen 180 km (112 Meilen) und 250 km (155 Meilen) zu arbeiten.
Die Effektivität des Motors beruht maßgeblich auf dem speziell konstruierten Lufteinlass. Es ist eine Herausforderung, genügend Luftmoleküle aus der dünnen Atmosphäre zu sammeln und zu konzentrieren.
Das Triebwerk kann nicht nur Satelliten ermöglichen, die Erde näher zu umkreisen, und um bessere Arbeit zu leisten, es könnte auch auf Missionen zu anderen Planeten oder Monden angewendet werden. Der Mars zum Beispiel hat eine gewisse Atmosphäre, und es ist möglich, dass ein System wie dieses es einem Satelliten ermöglichen würde, auf diesem Planeten in einer niedrigeren Höhea zu arbeiten.