Solarelektrische Antriebssysteme sind das, was wir für effiziente Reisen zum Mars brauchen

Alternative Antriebstechnologien haben bei verschiedenen Anwendungen im tiefen Weltraum an Bedeutung gewonnen. Nun hat ein spanisches Wissenschaftlerteam vorläufig untersucht, was nötig wäre, um eine Sonde nach dem Verlassen der Erde mit rein elektrischem Antrieb zum Mars zu schicken.

Elektrische Antriebssysteme haben mehrere Vorteile gegenüber chemischen Raketen. Sie können zwar nie groß genug sein, um etwas Schweres in die Umlaufbahn zu bringen, aber wenn sie einmal im Weltraum sind, sind sie außerordentlich effizient darin, Nutzlasten dorthin zu bringen, wo sie hin sollen.

Während eine typische Rakete (chemischer Antrieb) 70-90 Prozent ihrer Startmasse als Treibstoff benötigt, kommt ein elektrischer Antrieb mit nur 10-40 Prozent seiner Startmasse als Treibstoff aus. Der Ausgleich erfolgt über den Schub.

Elektrische Antriebssysteme haben normalerweise einen Schub, der mindestens vier Größenordnungen unter dem von chemischen Raketen liegt. Im Weltraum sind elektrische Antriebssysteme jedoch viel langsamer, was ein negativer Punkt ist.

Bei unbemannten Missionen ist dies jedoch vielleicht kein so großes Problem. Bisher hat noch niemand darüber nachgedacht, welchen Unterschied es zwischen einer Marsmission mit elektrischem Antrieb und einer mit chemischem Antrieb geben könnte.

Elektrischer Antrieb: ja oder nein?

Die nächstgelegene Studie wurde für einen Besuch auf den Marsmonden Phobos und Deimos durchgeführt, bei dem ausschließlich ein elektrischer Antrieb verwendet wurde. In dieser Studie fanden die Forscher heraus, dass die chemische Antriebsoption 2,5 Mal mehr Masse erfordern würde als die elektrische Antriebsoption.

In einer neuen Studie konzentrierten sich die Forscher auf eine Flugbahn, die ein 2.000 kg schweres Raumfahrzeug in eine polare Umlaufbahn um den Mars zwischen 300 km und 1000 km bringen würde.

Angesichts dieser Vorgaben zogen die Forscher verschiedene Arten von elektrischen Antriebssystemen in Betracht. Sie stellten eine zusätzliche Anforderung, die im oberen Schubbereich vieler elektrischer Antriebssysteme liegen muss. Eine Schubkraft von 0,1 N ist das Minimum, das erforderlich ist, um erfolgreich in eine Umlaufbahn um den Mars einzutreten.

Diese Einschränkung führte zur Auswahl des BHT-6000 als primäres Antriebssystem der Mission. Dabei handelt es sich um ein Hall-Effekt-Triebwerk, das mit einer Leistung zwischen 2 und 6 kW arbeitet und relativ gängige elektrische Triebwerke wie Xenon und Krypton verwenden kann.

Die Forscher verwendeten ein Mehrkörpermodell, um die gravitativen Auswirkungen der gewählten Flugbahn zu berechnen. Anschließend führten sie Simulationen einer Mission mit einem chemischen Standardtreibstoff und dem BHT-6000 durch. Was sie dabei herausfanden, schien mit den allgemeinen Erwartungen über die Vorteile des elektrischen Antriebs übereinzustimmen.

In Bezug auf die Geschwindigkeit war die chemische Rakete schneller, aber nicht eklatant.

Eine chemische Rakete könnte die Reise in knapp einem Jahr zurücklegen, während eine mit BHT-6000 betriebene Mission etwa 3,2 Jahre dauern würde. Allerdings wäre das Gewicht des chemischen Antriebssystems 2,4-mal so hoch wie das des elektrischen Antriebssystems.

Selbst bei relativ konservativen Startkosten von 10.000 Dollar pro Kilogramm würde dies die Kosteneinsparung eines elektrischen Antriebssystems auf fast 30 Millionen Dollar im Vergleich zur chemischen Alternative bringen.

Dies ist eine Entschädigung, die viele Weltraumforschungsagenturen aufgrund begrenzter Budgets gerne zahlen würden. Doch bisher ist dies nur ein Modell, denn es gibt keine geplante Weltraummission, die diese Methode des elektrischen Antriebs als Hauptantriebssystem nutzt, obwohl einige Weltraummissionen, wie Hayabusa-2, dies bereits getan haben.

Quellenhinweis:
Casanova-Álvarez M., Navarro-Medina F., Tommasini D. Feasibility study of a Solar Electric Propulsion mission to Mars. Acta Astronautica, Volume 216 (2024).