Wenn es um die Zukunft der Weltraumforschung geht, werden eine Reihe neuer Technologien untersucht. An erster Stelle stehen dabei neue Antriebsformen, die in der Lage sein werden, Kraftstoffeffizienz und Leistung in Einklang zu bringen. Triebwerke, die mit weniger Treibstoff viel Schub erreichen können, wären nicht nur kostengünstig, sondern könnten auch Astronauten in kürzerer Zeit zu Zielen wie dem Mars und darüber hinaus befördern.
Hier kommen Triebwerke wie das X3-Hall-Effekt-Triebwerk ins Spiel. Dieses Triebwerk, das vom Glenn Research Center der NASA in Zusammenarbeit mit der US Air Force und der University of Michigan entwickelt wird, ist ein maßstabsgetreues Modell der Triebwerkstypen, die von den DämmerungRaumfahrzeug . Während eines letzter Test , dieses Triebwerk brach den bisherigen Rekord für ein Hall-Effekt-Triebwerk und erreichte eine höhere Leistung und einen überragenden Schub.
Hall-Effekt-Triebwerke haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer extremen Effizienz bei Missionsplanern Anklang gefunden. Sie funktionieren, indem sie kleine Mengen Treibmittel (normalerweise inerte Gase wie Xenon) mit elektrischen Feldern in geladenes Plasma umwandeln, das dann mit einem Magnetfeld sehr schnell beschleunigt wird. Im Vergleich zu chemischen Raketen können sie mit einem winzigen Bruchteil ihres Treibstoffs Höchstgeschwindigkeiten erreichen.
Künstlerisches Konzept der Dawn-Mission mit seinem blauen Ionenmotor, um Ceres in der Ferne zu erreichen. Bildnachweis: NASA/JPL
Eine große Herausforderung war bisher jedoch der Bau eines Hall-Effekt-Triebwerks, das auch hohe Schubkräfte erreichen kann. Obwohl sie treibstoffeffizient sind, erzeugen konventionelle Ionentriebwerke normalerweise nur einen Bruchteil des Schubs, der von Raketen erzeugt wird, die auf fest-chemischen Treibmitteln angewiesen sind. Aus diesem Grund hat die NASA zusammen mit ihren Partnern das maßstabsgetreue Modell X3-Triebwerk entwickelt.
Die Entwicklung des Triebwerks wurde von Alec Gallimore, Professor für Luft- und Raumfahrttechnik und Robert J. Vlasic Dean of Engineering an der University of Michigan, überwacht. Wie er in einer kürzlich erschienenen Michigan News andeutete Pressemitteilung :
„Marsmissionen stehen kurz bevor, und wir wissen bereits, dass Hall-Triebwerke im Weltraum gut funktionieren. Sie können entweder für den Transport von Ausrüstung mit minimalem Energie- und Treibstoffverbrauch über einen Zeitraum von etwa einem Jahr oder für die Geschwindigkeit optimiert werden, um die Besatzung viel schneller zum Mars zu bringen.“
In jüngsten Tests brach der X3 den bisherigen Schubrekord eines Hall-Triebwerks und erreichte eine Kraft von 5,4 Newton gegenüber dem alten Rekord von 3,3 Newton. Der X3 hat auch den Betriebsstrom mehr als verdoppelt (250 Ampere vs. 112 Ampere) und lief mit einer etwas höheren Leistung als der bisherige Rekordhalter (102 Kilowatt vs. 98 Kilowatt). Dies war eine ermutigende Nachricht, da der Motor dadurch eine schnellere Beschleunigung bieten kann, was kürzere Fahrzeiten bedeutet.
Scott Hall nimmt vor Beginn des Tests einige letzte Anpassungen am Strahlruder vor. Bildnachweis: NASA
Der Test wurde von Scott Hall und Hani Kamhawi im NASA Glenn Research Center in Cleveland durchgeführt. Während Hall Doktorand in Luft- und Raumfahrttechnik an der U-M ist, ist Kamhawi ein Forscher der NASA Glenn, der maßgeblich an der Entwicklung des X3 beteiligt war. Darüber hinaus ist Kamhawi auch NASA-Mentor von Hall im Rahmen der NASA-Forschungsstipendium für Weltraumtechnologie (NSTRF).
Dieser Test war der Höhepunkt von mehr als fünf Jahren Forschung, mit der versucht wurde, aktuelle Hall-Effekt-Designs zu verbessern. Um den Test durchzuführen, verließ sich das Team auf die Vakuumkammer von NASA Glenn, die derzeit die einzige Kammer in den USA ist, die das X3-Triebwerk handhaben kann. Dies liegt an der schieren Menge an Abgas, die das Triebwerk produziert, was dazu führen kann, dass ionisiertes Xenon zurück in die Plasmafahne driftet und so die Testergebnisse verfälscht.
Das Setup von NASA Glenn ist das einzige mit einer Vakuumpumpe, die stark genug ist, um die notwendigen Bedingungen zu schaffen, um den Auspuff sauber zu halten. Hall und Kamhawi mussten auch einen maßgefertigten Schubständer bauen, um den 227 kg (500 Pfund) schweren Rahmen des X3 zu tragen und der von ihm erzeugten Kraft standzuhalten, da die vorhandenen Ständer der Aufgabe nicht gewachsen waren. Nach der Sicherung eines Testfensters verbrachte das Team vier Wochen damit, den Ständer, das Triebwerk vorzubereiten und alle notwendigen Verbindungen herzustellen.
Währenddessen standen NASA-Forscher, Ingenieure und Techniker zur Verfügung, um Unterstützung zu leisten. Nach 20 Stunden Pumpen, um ein raumähnliches Vakuum in der Kammer zu erreichen, führten Hall und Kamhawi eine Reihe von Tests durch, bei denen der Motor 12 Stunden am Stück gezündet wurde. Innerhalb von 25 Tagen brachte das Team den X3 auf seine rekordverdächtigen Leistungs-, Strom- und Schubwerte.
Eine seitliche Aufnahme des X3, der mit 50 Kilowatt feuert. Bildnachweis: NASA
Mit Blick auf die Zukunft plant das Team, weitere Tests in Gallimores Labor bei U-M mit einer verbesserten Vakuumkammer durchzuführen. Diese Upgrades sollen bis Januar 2018 abgeschlossen sein und es dem Team ermöglichen, zukünftige Tests intern durchzuführen. Dieses Upgrade wurde dank eines Zuschusses in Höhe von 1 Million USD ermöglicht, der teilweise vom Air Force Office of Scientific Research bereitgestellt wurde, mit zusätzlicher Unterstützung durch das Jet Propulsion Laboratory und U-M.
Auch die Netzteile des X3 werden entwickelt von Aerojet Rocketdyne , dem in Sacramento ansässigen Hersteller von Raketen- und Raketenantrieben, der auch bei der Bewilligung des Antriebssystems der NASA federführend ist. Bis Frühjahr 2018 soll der Motor in diese Antriebssysteme integriert sein; zu diesem Zeitpunkt eine Reihe von 100-Stunden-Tests, die erneut im Glenn Research Center durchgeführt werden.
Der X3 ist einer von drei Prototypen, die die NASA für zukünftige bemannte Missionen zum Mars untersucht, die alle die Reisezeiten verkürzen und den Treibstoffbedarf reduzieren sollen. Neben der Kosteneffizienz solcher Missionen sollen die verkürzten Laufzeiten auch die Strahlenbelastung der Astronauten auf ihrer Reise zwischen Erde und Mars verringern.
Das Projekt wird durch die NASA finanziert Next Space Technologies for Exploration Partnership (Next-STEP), das nicht nur Antriebssysteme, sondern auch Habitatsysteme und die Fertigung im Weltraum unterstützt.
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