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Japaner testen revolutionäres Antriebskonzept für den Weltraum

Am 21.Mai 2010 starteten die Japaner erfolgreich eine äußerst interessantes interplanetares Weltraumunternehmen. An Bord einer HII-A Trägerrakete befanden sich zwei völlig unterschiedlich konstruierte, unbemannte Raumschiffe, die beide nach der Trennung von der HII-A beide in Richtung Venus weiterfliegen, aber grundverschiedene Missionsziele verfolgen: 

1. Der Venus-Orbiter, „Akatsuki“ (Morgendämmerung) soll Wetter und Klima auf der Venus untersuchen und vielleicht auch  auch möglichen Hinweisen auf Leben in der Venusatmosphäre nachgehen.

Der „Wettersatellit“ Akatsuki in der Venusumlaufbahn. Quelle: JAXA

2. Der kleine experimentelle Sonnensegler „Ikaros“  (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun) betritt absolutes Neuland in der Raumfahrttechnik, da er ein vollkommen neues, noch nie erprobtes Antriebskonzept umsetzt. „Ikaros“ wird nicht durch Raketentriebwerke, sondern über ein Sonnensegel nur durch das Sonnenlicht angetrieben, ähnlich wie ein Segelschiff durch den Wind.

Der Sonnensegler Ikaros auf dem Weg zur Venus. Quelle: JAXA

Das Raumschiff kann vor dem Sonnenlicht „segeln“ also in von der Sonne weg, aber auch gegen das Sonnenlicht kreuzen, wobei es abgebremst wird und wegen der veringerten Bahngeschwindigkeit in Richtung Sonne „fällt“.

Antriebsprinzip eines Sonnenseglers. Quelle: JAXA

Das Sonnensegel ist beim Start natürlich gut verpackt. Erst nach der Trennung des Raumschiffs von der Trägerrakete HIIa wird das Sonnensegel in einem komplizierten mehrschrittigen Prozeß nach und nach entfaltet. Diese Phase ist die kritischte der gesamten Ikaros-Mission.

Die verschiedenen Phasen der Ikaros-Mission. Quelle: JAXA

Ikaros kann mit Hilfe von an den Außenrändern des Segels eingebauten Flüssigskristallen dort die Reflektionseigenschaften verändern und so eine Lagekontrolle ausüben.

Bauplan des Sonnenseglers Ikaros. Quelle: JAXA

Wenn an die Flüssigkristallelemente keine Spannung angelegt wird, reflektieren sie das Sonnenlicht diffus, und es entstehen keine wirksamen Kräfte. Stehen die Elemente dagegen unter Spannung, so reflektieren sie das Sonnenlicht in einer Richtung, so daß eine Kraft ausgeübt wird.

Ikaros Lagekontrolle mit Flüssigkristallen Quelle: Jaxa

Inzwischen hat „Ikaros“ erfolgreich sein Segel entfaltet und ist  in die Missionsphase 5 eingetreten, wie die folgende,  mit einer ausfahrbaren Kamera gemachte Aufnahme eindrucksvoll beweist:

Ikaros mit entfaltetem Segel Quelle: JAXA

Auch die Lagekontrolle mit den Flüssigkeitskristallen wurde schon erfolgreich getestet:

Test der Flüssigkeitskristall-Lagekontrolle von Ikaros. Quelle: JAXA

Das Antriebskonzept von „Ikaros“ ist wahrhaft revolutionär und wird hier erstmals im Weltraum ausprobiert. Klappt alles weiterhin so gut wie bisher, dann wird schon im Jahre 2013 eine weitere japanische Sonde mit einem wesentlich größeren Segel starten, diesmal in Richtung Jupiter.


Mission zu Jupiter und den Trojanern mit einem Sonnensegler. Quelle: JAXA

Die Mission soll neben dem Riesenplanet Jupiter aber auch die Trojanischen Asteroiden erforschen.  Die „Trojaner“ bewegen sich zusammen mit den  „Griechen“ auf derselben Bahn wie Jupiter, eilen dem Gasriesen jedoch voraus bzw. folgen ihm nach.

Die Trojanischen Asteroiden Quelle: Wikipedia

Die Vorteile der neuen Lichtsegel-Antriebstechnologie liegen auf der Hand. Sie spart Treibstoff und wird die Reisezeiten bei interplanetaren Unternehmungen erheblich verkürzen. In einer fortgeschritteneren Form wären mit dieser Technologie sogar interstellare Reisen zu den nächsten Fixsternen durchführbar und das bei Reisezeiten von nur wenigen Jahrzehnten! 

Mit herkömmlichen chemischen Raketentriebwerken blieben interstellare Reisen, selbst zu den allernächsten Sternen, für alle Zeiten undurchführbar. Eine solche Reise würde, bei einem schon aus Treibstoffgründen überwiegend antriebslosem Flug,  mehrere Jahrzehntausende dauern. Auch mit den derzeit oder bald zur Verfügung stehenden Ionentriebwerken wären noch Jahrhunderte bis Jahrtausende zu veranschlagen.

Ein interstellarer Flug zum nächsten Fixstern Alpha-Centauri (Entfernung 4,5 Lichtjahre) mit einem Licht- bzw.  Mikrowellen-Segler. Quelle: Glenn Research Center, NASA

So etwas würde allerdings nicht mehr mit dem Sonnenlicht funktionieren. Der Druck auf das Lichtsegel würde mittels hochenergetischer, durch Fresnel-Linsen gebündelter Laserpulse oder Mikrowellen (Maser) erzeugt.

Jens Christian Heuer 

Quelle: JAXA (http://www.jaxa.jp/)

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Kategorien:Raumfahrt
  1. 05/07/2010 um 09:16

    Sehr geehrter Herr Heuer,

    zu der optimistischen Angabe von nur 10 bzw. 20 Jahre Reisedauer zum 4,5 Jahre entfernten nächsten Fixstern von uns – die ich stark anzweifle – habe ich folgende Fragen bzw. Bemerkungen:
    1. Woher kommt die Energie für den Laserbetrieb und wie schwer ist diese Energiequelle?
    2. Soll die Sonde nach Erreichen in eine Umlaufbahn von Alpha-Centauri einschwenken oder nur mit der dann vorhandenen Relativgeschwindigkeit, bezogen auf das neue Sternsystem, vorbeifliegen? Im ersteren Fall müßte die Geschwindigkeit der Sonde in Abhängigkeit von der Sternenmasse wieder abgebremst werden, was noch einmal die gleiche Flugzeit bei voller Leistung erfordert.

    MfG, Gerd Zelck

  2. jenschristianheuer
    05/07/2010 um 12:39

    Sehr geehrter Herr Zelck,

    Das interstellare Raumschiff wäre in der bescheideneren Version mit einer Nutzlast von 4g ausgesprochen leicht. Eine vernünftige Instrumentierung ist unter diesen Umständen natürlich nur unter Verwendung nanotechnologischer Bauelemente realisierbar.Hinzu kommt natürlich noch die Masse der Segels mit 12g.

    Der Leistung des stationären Masers müßte 10 GW betragen, entsprechend der Leistung aller derzeitigen Kraftwerke auf der Erde. (Sie finden diese Angaben auch der Abbildung). Damit ließe sich eine Beschleunigung von 115g erzielen und immerhin 1/5 Lichtgeschwindigkeit. Der Energiebedarf würde mit Hilfe der Sonne gedeckt, durch ein gewaltiges Solarkraftwerk,im Weltraum, alternativ auch auf dem Mond.

    Das winzige Raumschiff würde lediglich einen Vorbeiflug schaffen. Ein Bremsmanöver oder gar Rückflug ist nicht vorgesehen, da nicht realisierbar. Dazu müßte ja vorab ein Maser mit Energiequelle im Alpha-Centauri-System stationiert werden.

    Die Version mit dem Laser erlaubt eine wesentlich höhere Nutzlast bei doppelter Reisegeschwindigkeit. Auch hier wäre nur ein einmaliger Vorbeiflug möglich. Die energetischen Dimensionen dieser Version sprengen allerdings alles derzeit auch nur Vorstellbare.

    Aussichtsreicher erscheinen da schon andere interstellare Raumfahrtprojekte wie z.B. der Mach-Lorentz-Antrieb, vor allem dann, wenn man an bemannte Flüge denkt.
    (Links Mach Lorentz-Antrieb: 1)http://www.cphonx.net/weffect/alt.php 2)http://www.tapsns.com/media/fire2006/transcripts/SpacePropulsion.pdf 3)http://www.final-frontier.ch/machlorentzantrieb).

    Beste Grüße
    Jens Christian Heuer

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