CubeSat-Antriebstechnologien nehmen Fahrt auf

CubeSats erfreuen sich immer größerer Beliebtheit, bisher wurden insgesamt etwa 2.400 davon gestartet. Aufgrund ihrer geringen Größe sind ihre Einsatzmöglichkeiten für grundlegende Weltraumforschungstechnologien, einschließlich Antrieb, jedoch begrenzt. Noch wichtiger werden sie, wenn Missionsplaner Missionen planen, die Reisen zu anderen Planeten oder sogar Asteroiden erfordern.

Ein Team der Khalifa University of Science and Technology in Abu Dhabi veröffentlichte kürzlich eine Rezension In Luft- und Raumfahrt der verschiedenen derzeit verfügbaren CubeSat-Antriebstechnologien – sehen wir uns ihre Vor- und Nachteile an.

Das Papier unterteilt Antriebssysteme in vier Kategorien: Chemische, kinetische, elektrische und „Treibstofflose“. Chemische Systeme sind die traditionellen Raketen, an die die meisten Leute denken, wenn sie Satelliten starten – sie verbrennen Chemikalien miteinander und stoßen das durch das Feuer erzeugte Gas aus, um Schub zu erzeugen. Kinetische Systeme verwenden Dinge wie kaltes Gas, wobei sie, anstatt zwei Chemikalien miteinander reagieren zu lassen, einfach Gasmoleküle ausstoßen, um sich in die entgegengesetzte Richtung anzutreiben.

Elektrische Systeme ähneln kinetischen Systemen, verwenden jedoch ein elektrisches System, beispielsweise einen Hall-Effekt-Antrieb, um den Treibstoff vor dem Ausstoß zu erhitzen. Antriebslose Technologien schließlich haben keine aktiven Komponenten und nutzen stattdessen passiv die Kräfte aus dem Weltraum selbst, um sich fortzubewegen. Das bekannteste Beispiel hierfür sind Sonnensegel.

Beginnen wir mit dem chemischen Antrieb. Dies ist wahrscheinlich die am wenigsten hilfreiche Konfiguration für CubeSats, da die Materialanforderungen für den Umgang mit kleinen Explosionen die unterstützende Infrastruktur zu sperrig und schwer machen, um in ein herkömmliches CubeSat-Paket zu passen. Obwohl einige miniaturisierte Systeme entwickelt wurden, die in ein CubeSat-Gerüst passen könnten, werden chemische Treibstoffsysteme wahrscheinlich nicht so schnell abheben.

Kinetische Systeme sind bei CubeSats viel häufiger anzutreffen und werden in der Studie in zwei Hauptkategorien unterteilt: Kaltgas und Resistojet. In der Vergangenheit haben wir über Systeme berichtet, die alles von Ammoniak bis Wasser als kinetisches Treibmittel verwenden und die in die Kategorie Kaltgas fallen würden. Wenn das Gas vor der Freisetzung leicht erhitzt wird, wird das System zu einer Resistojet-Konfiguration. Die Erhitzung kommt zwar nicht annähernd an die Explosionsstärke von chemischen Raketen heran, erhöht aber dennoch die Kraft des Treibmittels, das aus der Düse des Triebwerks austritt.

Der elektrische Antrieb ähnelt in vielerlei Hinsicht dem kinetischen Antrieb, verwendet jedoch elektrische Energie, um seine Treibstoffe vor der Entladung zu erhitzen. Das Dokument unterteilt diese Technologien in drei Hauptkategorien: Elektrothermische Entladung, Elektrostatik und Elektromagnetik. Elektrothermische Entladungssysteme ähneln Arcjets, allerdings wurde bisher noch kein System entwickelt, das klein genug ist, um in den Formfaktor eines CubeSat zu passen und die für ein solches System erforderliche Leistung liefern kann.

Elektrospray-Systeme nutzen elektrische Kräfte statt Hitze, um geladene Partikel zu beschleunigen, die als Treibmittel verwendet werden. Geladene Partikel werden durch ein vom Antriebssystem erzeugtes Magnetfeld beschleunigt und mit hoher Geschwindigkeit durch die Düse des Triebwerks gepresst. Elektromagnetische Systeme funktionieren ähnlich, indem sie einen Lichtbogen verwenden, um Treibmittel zu ionisieren, das dann durch das Magnetfeld, das sich um das ionisierte Material bildet, herausgedrückt wird.

Insgesamt werden elektrische Systeme auf CubeSats immer häufiger eingesetzt. Allerdings erfordern ihre Materialanforderungen typischerweise hochpräzise Bearbeitung und andere fortschrittliche Technologien, was ihre Entwicklung schwieriger macht als die von einfachen kinetischen Systemen.

Systeme ohne Treibstoff haben sich seit dem erfolgreichen Test von Lightsail, dem Technologiedemonstrator der Planetary Society für Sonnensegel, weiter verbreitet. Es gibt jedoch auch andere Technologien ohne Treibstoff, wie Halteseile oder ein magnetisches Segel, das sich selbst über die Magnetfelder antreibt, die das Sonnensystem umgeben.

Gleichzeitig befinden sich viele dieser Systeme noch in der Konzeptionsphase. Ihre Fähigkeit, potenziell unbegrenzten Schub zu liefern, ist für CubeSat-Designer, die längerfristige Missionen im Auge haben, interessant. Allerdings sind sie wiederum durch Materialentwicklung und Größenbeschränkungen eingeschränkt, da für viele von ihnen große Strukturen erforderlich sind und es eine Herausforderung ist, diese in die Grenzen eines CubeSat zu packen.

Angesichts der aktuellen Entwicklungen in der Welt der CubeSats werden in Zukunft zweifellos weitere Ideen aufkommen. Da die Startkosten sinken, werden sich mehr Industriezweige und Nichtregierungsorganisationen dafür interessieren, wie die Plattform ihnen helfen könnte. Doch egal, wo CubeSats letztendlich eingesetzt werden, sie müssen sich auf ihre Antriebssysteme verlassen können, um dorthin zu gelangen.