Plasma könnte Raketenantriebe für die Raumfahrt revolutionieren

Feststofftriebwerke sind die ältesten und zuverlässigsten Antriebe für Raketen. Probleme mit Pumpen oder Ventilen, wie sie Raketen mit Flüssigtreibstoff oft haben, gibt es bei Feststoff nicht. Deswegen sind sie bis heute die wichtigste Antriebsart für schwere Trägerraketen. Meist sind es die Booster solcher Raketen, die mit Feststoff zusätzlichen Schub liefern. 

Diese Antriebsart hat aber einen entscheidenden Nachteil: Einmal gezündet, brennt der Feststoff vollständig ab. Um Raketen ins All zu bringen, reicht das in der Regel aus. Doch sobald man einen Antrieb mehrfach zünden oder den Schub regulieren möchte, muss man auf eine andere Antriebsart ausweichen. So hat etwa Europas Ariane 6 bis zu 4 Feststoffbooster und ein Triebwerk mit Flüssigtreibstoff, das wiederzündbar ist. 

➤ Mehr lesen: Wie ein Start-up aus Österreich die Raumfahrt revolutioniert

Nanosekunden-gepulste Plasmaentladung

Ein neues Konzept der The Aerospace Corporation in Zusammenarbeit mit der University of Southern California (USC) und der Naval Postgraduate School (NPS) soll dieses Problem jetzt lösen. Im Zentrum steht dabei Nanosecond Pulsed Plasma Discharge (NPPD), zu deutsch: Nanosekunden-gepulste Plasmaentladung. 

Dabei wird ein Niedertemperatur-Plasma genutzt, also ein ionisiertes Gas mit energiereichen, heißen Elektronen und kühleren, schweren Gasteilchen. Es zündet über steuerbare, extrem kurze Hochspannungsblitze den Feststoff. Ein solcher hochenergetischer elektrischer Impuls dauert weniger als 100 Nanosekunden. 

Dadurch verbrennt der Feststoff nicht gleich vollständig bei einmaligem Zünden. Werden weniger Blitze gesendet, drosselt das den Schub. Stoppt man die Plasma-Blitze ganz, wird die chemische Reaktion im Triebwerk unterbrochen und es geht aus. 

➤ Mehr lesen: Neuartiges Triebwerk stellt Rekord auf

Ionisches Flüssigpolymer als Treibstoff

Damit das funktioniert, ist ein besonderer Feststoff nötig: ionisches Flüssigpolymer. Der Name täuscht dabei, denn das "flüssig" bezieht sich lediglich auf die Bausteine, die bei Zimmertemperatur schmelzen. Sie werden zu einem Feststoff verkettet, der sich wie der standardmäßig eingesetzte Ammoniumperchlorat-Verbundtreibstoff (APCP) für Raketenantriebe nutzen lässt. Dadurch bleibe der neue Treibstoff über eine breite Temperaturspanne stabil und elektrochemisch aktiv, sagt Projektleiter Alejandro Briseno in einem Statement. 

Satelliten und Raumschiffe

Raketen sind allerdings nicht der einzige Einsatzbereich, den The Aerospace Corporation für sein Triebwerk sieht. Auch Satelliten könnten mit einem solchen Feststoffantrieb ausgestattet werden. Sie nutzen derzeit meist Ionen- oder Flüssigkeitstriebwerke im All, z.B. um gefährlichem Weltraumschrott auszuweichen oder nach Ende ihrer Mission in den sogenannten Friedhofsorbit gebracht zu werden. 

➤ Mehr lesen: “Satelliten-Tankstelle” soll im Sommer ins All starten

Ein Vorteil des neuen Antriebs ist dabei, dass er skalierbar ist. So könne er sowohl in kleinen CubeSats als auch in Raumschiffen für Langstrecken-Missionen zum Einsatz kommen. Zudem wäre der Aufbau vergleichsweise simpel, da keine Druckbehälter wie bei Flüssigtreibstoff nötig sind und nur wenig elektrische Energie für die Plasma-Blitze gebraucht wird. Dafür muss er es aber aus der derzeitigen experimentellen Proof-of-Concept-Phase aus dem Labor schaffen.