NASA forscht an neuen Antrieben für interstellare Flüge

Kleiner Ausflug in die Raumfahrttechnik im Hinblick auf langfristige Zukunftsversionen. Was braucht man für einen Antrieb zum Flug zu den Sternen? Neben sogenannten Sonnensegeln könnte auch ein sogenannter Pellet-Antrieb genutzt werden. Die US-Raumfahrtbehörde NASA forscht an beiden Konzepten.

Diese Woche hat das US-Raumfahrtunternehmen SpaceX mit dem fünften unbemannten Testflug des Raumfahrtzeugs Starship Geschichte geschrieben und das Tor zum Flug zum Planeten Mars aufgestoßen. Mit dem Starship bekommt man ein Transportfahrzeug, um große Lasten in die Erdumlaufbahn, zum Mond oder zum Mars zu transportieren.

Neue Antriebe für den Flug zu Mars

Aber ein Flug zum nahen Mars braucht schon bei günstiger Planetenkonstellation um die 2 Jahre. Auch hier erforscht die US-Raumfahrtbehörde NASA neue Antriebskonzepte.

Atom-Raketenantrieb

Seit den 60er Jahren des vorherigen Jahrhunderts gibt es das Konzept, die Hitze eines Atomreaktor zu verwenden, um den Treibstoff durch eine Düse des Raketentriebwerks zu beschleunigen. Der Vorteil dieses Konzepts: Man muss keinen Sauerstoff als Oxidator mitführen, sondern nur das Treibmittel. Das reduziert das Gewicht der Rakete erheblich. Die NASA forscht daher aktuell wieder an Atom-Antrieben, um die Flugzeit zu reduzieren (siehe mein Blog-Beitrag Draco: Der Nuklearantrieb für Raumfahrzeuge).

Detonationsraketentriebwerk

Weiterhin hat die NASA vor einiger Zeit erfolgreich ein Detonationsraketentriebwerk (englisch Rotating Detonation Rocket Engine, RDRE) getestet. Bei diesem Triebwerk wird ein Gemisch aus Treibstoff und Sauerstoff in einem ringförmigen Kanal durch anhaltende Detonationen verbrannt. Das RDRE-Triebwerk arbeitet zwar auch auf chemischer Basis mit Verbrennung, verbraucht weniger Treibstoff als herkömmliche Raketentriebwerke. 
Golem hat in diesem Beitrag über den erfolgreichen Triebwerkstest berichtet.

Konzepte für interplanetare Flüge

Für interplanetare Flüge reichen diese Antriebe aber nicht aus. Wir haben zwar Sonden zu den äußeren Planeten geschickt und die Pioneer sowie Voyager-Sonden sind inzwischen am Rande unseres Sonnensystems im interplanetaren Raum unterwegs. Es wird aber viele Zehntausend-Jahre dauern, bis die Sonden in Nähe eines Sterns kommen.

Es sind also neue Antriebskonzepte erforderlich, um in fernerer Zukunft Raumflüge zu fernen Zielen zu unternehmen. Mir sind da zwei Konzepte bekannt, an denen die NASA forscht.

Pellet-Beam-Antrieb

Im Beitrag Pellet-Beam Propulsion for Breakthrough Space Exploration wurde vor einiger Zeit ein Vorschlag für eine neue Antriebsarchitektur für den schnellen Transit schwerer (1 Tonne und mehr) Nutzlasten durch das Sonnensystem und das interstellare Medium gemacht.

Artur Davoyan, University of California, Los Angeles

Ein Raumfahrzeug in der Erdumlaufbahn soll kleine Pellets mit Hilfe eines Lasers in Plasma umwandeln, die in Richtung eines zweiten Raumfahrzeug bewegt werden. Der Pellet-Strahl aus mikroskopisch kleinen Teilchen, der durch Laserablation erzeugt wird, soll mit hoher Geschwindigkeit (>120 km/s) auf eine Prall-Platte am Ende dieses Raumschiffs auftreffen. Durch den so übermittelten Impuls soll das Raumfahrzeug, nach dem Vorbild des Segelstrahlkonzepts, angetrieben werden.

Das Konzept soll dann das Raumfahrzeug auf die gewünschten Umlaufbahnen und Ziele, einschließlich schneller Ausstiegsflugbahnen, treiben. Von besonderem Interesse sind interstellare Vorläufermissionen mit schnellem Transit. In einer Studie will die NASA den Nutzen des Pellet-Strahls untersuchen, um 1-Tonnen-Nutzlasten in <20 Jahren auf Entfernungen von 500 AU (Astronomische Einheiten, Entfernung Erde-Sonne, der Saturn ist 9,5 AU entfernt) zu befördern. heise hatte diesen Vorschlag vor längerer Zeit in einem deutschsprachigen Artikel behandelt.

Sonnensegel als Antrieb

Weiter gediehen ist der Ansatz des Antriebs von Raumfahrzeugen durch Sonnensegel. Es ist bekannt, dass Lichtteilchen, die auf einen Körper treffen, diesen leicht beschleunigen. Kometen und Asteroiden werden durch die Sonnenstrahlen in ihrer Flugbahn leicht abgelenkt.

Idee ist es, leichte Raumfahrzeuge mit einem großen Segel aus sehr leichtem Material zu versehen. Dann könnten diese Raumfahrzeuge das Sonnenlicht oder das Licht eines Lasers für den Antrieb nutzen. Auch dies soll sehr hohe Geschwindigkeiten, die über monate- und jahrelange Antriebsphasen, erreichbar sind, ermöglichen.

Auf der NASA-Seite Advanced Composite Solar Sail System (ACS3) beschreibt die US-Raumfahrtbehörde die AC3-Mission. Die NASA entwickelt neue entfaltbare Strukturen und Materialtechnologien für Solarsegel-Antriebssysteme, die für künftige kostengünstige Weltraummissionen bestimmt sind. So wie ein Segelboot durch den Wind in einem Segel angetrieben wird, nutzen Sonnensegel den Druck des Sonnenlichts für den Antrieb und machen herkömmliche Raketenantriebe überflüssig.

Ende August 2024 bin ich auf obigen Tweet gestoßen, wo die NASA dann bekannt gegeben hat, dass ein solches Solarsegel konkret in einer Raumfahrtmission getestet wird. Die NASA Solar Sail-Demo-Mission ist hier beschrieben. Das Advanced Composite Solar Sail System kann von vielen Orten der Welt aus am Nachthimmel gesehen werden, nachdem das reflektierende Segel im Orbit vollständig entfaltet wurde,

Sind spannende Zeiten, vor denen wir vor 50 Jahren nur träumen konnten. Allerdings werde ich persönlich wohl viele dieser Entwicklungen nicht mehr verfolgen können, da ich konkrete Missionen erst in 20 oder 30 Jahren erwarte.