Elektrisches Raketentriebwerk

Das Elektrische Raketentriebwerk ist eine besondere Form des Raketenantriebs, bei dem die ausgestoßene Stützmasse vom Energieträger unabhängig ist. Zusammen mit weiteren Komponenten wie dem Neutralisator bildet es das elektrische Antriebssystem.

Elektrische Raketentriebwerke lassen sich nach dem zugrunde liegenden Prinzip der Schuberzeugung in drei Klassen unterteilen: elektrothermische, elektrostatische und elektromagnetische Antriebe.

Elektrothermische Antriebe

Elektrothermische Antriebe sind den chemischen Triebwerken am nächsten. Hier wird die elektrische Leistung genutzt, um ein Arbeitsgas auf hohe Temperaturen aufzuheizen. Diese Temperaturen liegen im Allgemeinen höher als die Verbrennungstemperaturen klassischer chemischer Treibstoffe. Dadurch erhöht sich im Vergleich zu letzteren die Austrittsgeschwindigkeit der Gase bei der Expansion in einer Düse und somit der spezifische Impuls. Die wichtigsten Grundtypen der elektrothermischen Antriebe sind der Resistojet, der das Arbeitsgas über einen Widerstand aufheizt und das Thermische Lichtbogentriebwerk, in dem das Gas durch einen Lichtbogen geleitet wird.

Elektrostatische Triebwerke

Elektrostatische Triebwerke beschleunigen elektrisch geladene Teilchen in einem elektrostatischen Feld. Die Art der Teilchen sowie deren Erzeugung können dabei sehr unterschiedlich sein. Im Feldeffektemissiontriebwerk (FEEP) werden Ionen (Cs+, In+) durch starke Felder direkt aus einer Flüssigkeitsoberfläche emittiert. Elektronenstoßionisationsquellen (Ionentriebwerk) erzeugen Ionen (Xe+) in einem Plasma, entweder durch eine Hochfrequenz- oder eine Gleichstromentladung. Kolloidaltriebwerke zerstäuben den in der Regel flüssigen Treibstoff zu elektrisch geladenen kleinen Tröpfchen. Zumeist wird zum Aufbau des elektrostatischen Beschleunigungsfeldes ein System unterschiedlich geladener Gitter verwendet. Von allen Typen elektrischer Antriebe weisen die elektrostatischen Systeme den höchsten spezifischen Impuls auf. Dadurch bedingt besitzen sie allerdings auch den größten Leistungsbedarf pro Schub.

Eine Sonderstellung zwischen elektrostatischen und elektromagnetischen Systemen nehmen das Halltriebwerk bzw. stationäre Plasmatriebwerk (SPT), sowie der hocheffiziente Mehrstufen-Plasmaantrieb (HEMP) ein. Hier behindert ein magnetisches Feld die Bewegungsmöglichkeit der Elektronen, so dass auch ohne Gittersystem ein Potentialgradient aufrechterhalten werden kann. In diesem Potentialgradient werden Ionen (Xe+) nach außen beschleunigt.

Elektromagnetische Triebwerke

Elektromagnetische Triebwerke nutzen gekreuzte elektrische und magnetische Felder zur Erzeugung einer Kraft auf ein Plasma. Im Gegensatz zu den elektrostatischen Triebwerken wirkt die nach außen beschleunigende Kraft dabei im Allgemeinen auf beide unterschiedlich geladene Komponenten des Plasmas. Daher spricht man bei diesen Typen von echten Plasmatriebwerken. Prominenteste Vertreter dieser Klasse sind das magnetoplasmadynamische Triebwerk (MPD) und das iMPD-Triebwerk.

Stand der Entwicklung

Am weitesten fortgeschritten sind die Entwicklung der thermischen Lichtbogentriebwerke, der Elektronenstoßionisationsquellen und des Hallantriebs. Alle drei Typen können Einsätze auf Satelliten vorweisen. Das amerikanische Ionentriebwerk NSTAR wurde erfolgreich auf der interplanetaren Raumsonde Deep Space 1 als Hauptantrieb genutzt, ebenso ein Triebwerk des Halltyps auf der europäischen Mondsonde SMART-1.

Alle großen Raumfahrtagenturen besitzen ein eigenständiges Programm zur Entwicklung und Etablierung von elektrischen Antriebssystemen, das die koordinierte Weiterführung der Entwicklung sicherstellen soll.

Siehe auch