Solarelektrische Antriebssysteme könnten genau das sein, was wir für effiziente Reisen zum Mars brauchen

Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, zum Mars zu gelangen, aber es gibt immer Kompromisse. Der chemische Antrieb, der nachweislich am beliebtesten ist, kann ein Raumschiff schnell zum Roten Planeten bringen. Der Transport ihres Treibstoffs ist jedoch mit hohen Kosten verbunden, wodurch sich die Gesamtkosten der Mission erhöhen. Alternative Antriebstechnologien haben in mehreren Weltraumanwendungen an Bedeutung gewonnen. Jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern aus Spanien vorab untersucht, was nötig wäre, um eine Sonde mit rein elektrischem Antrieb zum Mars zu schicken, sobald sie die Erde verlässt.

Elektrische Antriebssysteme haben gegenüber chemischen Raketen mehrere Vorteile. Auch wenn sie nie groß genug sein werden, um etwas Schweres in die Umlaufbahn zu befördern, sind sie im Weltraum außerordentlich effizient darin, Nutzlasten dorthin zu befördern, wo sie hin müssen. Während bei einer typischen Chemierakete 70–90 % ihrer Startmasse als Treibstoff verwendet werden müssen, kommt ein elektrisches Antriebssystem mit nur 10–40 % ihrer Startmasse als Treibstoff aus.

Der Kompromiss, der gemacht werden muss, liegt auf der Hand. Elektrische Antriebssysteme haben typischerweise einen Schub, der mindestens vier Größenordnungen kleiner ist als der von chemischen Raketen. Im Weltraum hingegen hat es erhebliche Auswirkungen, dass elektrische Antriebssysteme viel langsamer sind. Bei unbemannten Missionen ist das jedoch möglicherweise kein so großes Problem.

Bisher hat sich niemand die Zeit genommen, darüber nachzudenken, wie groß der Unterschied zwischen einer Marsmission mit elektrischem und nicht mit chemischem Antrieb sein würde. Die nächstgelegene Studie wurde für einen Besuch der Marsmonde Phobos und Deimos erstellt, die ausschließlich auf elektrischem Antrieb beruhten. In dieser Studie stellten die Forscher fest, dass die chemische Antriebsoption 2,5-mal so viel Masse erfordern würde wie die elektrische Antriebsoption. Dies würde die Gesamtkosten der Mission erheblich senken.

In diesem neue Studieveröffentlicht in Acta Astronautica, konzentrierten sich die Forscher auf eine Flugbahn, die ein 2.000 kg schweres Raumschiff in eine polare Umlaufbahn um den Mars zwischen 300 km und 1.000 km bringen würde. Die Gewichtsbeschränkung von 2.000 kg wurde als Paket ausgewählt, das gleichwertige wissenschaftliche Pakete wie der ExoMars-Orbiter enthalten könnte, an dem die ESA gearbeitet hat.

Angesichts dieser Missionseinschränkungen betrachteten die Forscher verschiedene Arten elektrischer Antriebssysteme. Sie stellten eine zusätzliche Anforderung fest: Es muss im oberen Schubbereich vieler elektrischer Antriebssysteme betrieben werden. Ein Schub von 0,1 N ist das Minimum, das erforderlich ist, um erfolgreich in die Umlaufbahn um den Mars zu gelangen.

Diese Einschränkung führte zur Auswahl des BHT-6000 als primäres Antriebssystem der Mission. Es handelt sich um ein Hall-Effekt-Triebwerk, das mit einer Leistung zwischen 2 kW und 6 kW arbeitet und relativ gängige elektrische Treibstoffe wie Xenon und Krypton verwenden kann. Mit dieser Antriebsauswahl war es an der Zeit, sich der Lieblingsbeschäftigung eines jeden Astrodynamikers zuzuwenden: dem Modellieren.

Die Forscher verwendeten ein Mehrkörpermodell, um den Gravitationseinfluss ihrer ausgewählten Flugbahn abzubilden. Anschließend führten sie Simulationen einer Mission mit einem standardmäßigen chemischen Treibstoff und dem BHT-6000 durch. Was sie fanden, schien den allgemeinen Erwartungen an die Vorteile des Elektroantriebs zu entsprechen.

Was die Geschwindigkeit angeht, war die chemische Rakete schneller, aber nicht übermäßig. Eine chemische Rakete könnte die Reise in etwas weniger als einem Jahr zurücklegen, während eine Mission mit BHT-6000-Antrieb vom Start an etwa 3,2 Jahre dauern würde. Allerdings wäre das Gewicht des chemischen Antriebssystems 2,4-mal so groß wie das des elektrischen Antriebssystems. Selbst bei relativ konservativen Startkosten von 10.000 US-Dollar pro Kilogramm würde die Kosteneinsparung eines elektrischen Antriebssystems gegenüber der chemischen Alternative fast 30 Millionen US-Dollar betragen. Und das alles auf Kosten einiger weiterer Jahre Reisezeit, um die Mission auf den Weg zu bringen.

Das ist ein Kompromiss, den viele Weltraumforschungsagenturen aufgrund begrenzter Budgets gerne in Kauf nehmen würden. Bisher handelt es sich jedoch nur um ein Modell, da keine geplante Weltraummission geplant ist, die diese elektrische Antriebsmethode als primäres Antriebssystem nutzen würde, obwohl dies bereits bei einigen Weltraummissionen wie Hayabusa-2 der Fall ist. Mit fortschreitender Technologie wird es jedoch immer wahrscheinlicher, dass künftige Weltraummissionen, insbesondere unbemannte, zum Mars fliegen werden.