Sonnensegel (Raumfahrt)

Sonnensegel (Raumfahrt)

(Weitergeleitet von Weltraumsegler)

Das Sonnensegel (auch Lichtsegel, Photonensegel oder Solarsegel, engl. SSP für solar-sail propulsion) ist ein Konzept zum Antrieb von Raumsonden, bei dem der sehr geringe Strahlungsdruck des Sonnenlichtes genutzt werden soll. Ideen dazu gab es schon in den 1920er Jahren vom deutschen Ingenieur Hermann Oberth (1923)[1] oder vom russischen Raumfahrtpionier Konstantin Ziolkowski (1924)[2]. Der Begriff Sonnensegeln (eng. "solar sailing") wurde erst später von Richard Garwin (1958) geprägt.

Die durch ein Sonnensegel mögliche Beschleunigung ist im Vergleich zu anderen Antrieben sehr gering. Daher sehen Konzepte zur Nutzung von Sonnensegeln Missionsdauern von vielen Jahren vor. Die technologische Herausforderung besteht darin, Folien im Weltraum zu entfalten und zu manövrieren, die sehr leicht und sehr groß sind.

Während die NASA die Entwicklung vorübergehend einstellte,[3] testete Japan 2010 IKAROS erfolgreich: Während sechs Monaten betrug die durch Lichtdruck bewirkte Geschwindigkeitsänderung 100 m/s.[4] Nun plant die NASA für 2014 ein ähnliches Projekt.[5]

Konzept

Beim Sonnensegel soll der Strahlungsdruck der Sonne als Antriebsquelle genutzt werden. Mit der Solarkonstanten von 1,367 kW/m² (Strahlungsleistungsdichte der Sonne in Erdentfernung) ergibt sich ein Strahlungsdruck von 9,1 μN/m² – bei vollständiger, senkrechter Reflexion, die aber auf interplanetaren Bahnen nicht sinnvoll ist. Typisch ist die schräge Segelstellung, bei der eine tangentiale Kraftkomponente auftritt, mit der die Bahnenergie erhöht oder verringert werden kann. Die im Bereich der Erdbahn auf einen Quadratmeter Segelfläche wirkende Kraft $ F $ beträgt dann etwa

$ F = 4 \; \mu\mathrm N \; $.

Es werden also sehr große Flächen und lange Zeiten benötigt, um selbst kleine Massen nennenswert zu beschleunigen. Das heißt, das Segel muss sehr dünn sein. Bei einem Massebelag von 10 g/m², einschließlich Nutzlast, läge die Beschleunigung bei 0,4 mm/s² und ein Geschwindigkeitszuwachs von 10 km/s würde fast ein Jahr dauern.

Die Intensität des Sonnenlichts hängt umgekehrt quadratisch vom Abstand ab. Nahe Vorbeiflüge an der Sonne könnten dies ausnutzen, um größere Beschleunigungswerte zu erreichen.[6]

Praktische Versuche

Znamya-2 (1993)
Die erste Erprobung eines Entfaltmechanismus für Foliensegel und deren Lagekontrolle geschah 1993 von der russischen Raumstation Mir aus. Das Experiment diente dem Plan, mit viel größeren Reflektoren nordrussische Städte zu erhellen. Zur Durchführung dockte Progress-M 15 ferngesteuert ab und wurde in 230 m Entfernung zur Lagestabilisierung in Rotation versetzt. Der 40 kg schwere Reflektor wurde an einer elektrisch angetriebenen Achse durch Zentrifugalkraft zu 20 m Durchmesser ausgespannt, die Kanten der acht am Umfang verbundenen Foliensegmente entfalteten sich allerdings nicht vollständig. In der frühen Morgendämmerung war der Reflex von Südfrankreich bis Osteuropa zu sehen.[7][8]
DLR-Demonstrator (1999)
Das ESA/DLR-Projekt „Solar Sail“ konnte 1999 die Entfaltung eines 20 m ×20 m großen Sonnensegels am Boden demonstrieren. Das Segel bestand aus vier CFK-Auslegern, die beim Ausfahren ein Kapton-Segel aufspannten. Die Röhren der Ausleger bestanden aus zwei aufgerollten Halbschalen, die beim Abrollen wieder ihre ursprüngliche Form erhielten. Das JPL der NASA steuerte ein Segelsegment zum Demonstrator bei.[9][2]
Künstlerische Darstellung des Modells Cosmos-1 der Planetary Society
Cosmos 1 (2001)
2001 schlug ein suborbitaler Test von Cosmos Studios und der Planetary Society fehl, da sich die dritte Stufe der verwendeten Wolna-Rakete nicht trennte. Cosmos 1 hätte acht 5 µm dicke Segmente aus aluminiumbeschichtetem Mylar mithilfe aufblasbarer Schläuche entfalten sollen.[10] 2005 verhinderte ein Versagen schon der ersten Stufe einen orbitalen Einsatz in 800 km Höhe.[11] Das Experiment sollte eine Erhöhung der Orbits durch das Solarsegel nachweisen.[10] Dies plant die Planetary Society nun unter der Missionsbezeichnung LightSail-1 zu erreichen.[12]
Raumfahrtagentur ISAS (2004)
Im August 2004 testete die japanische Raumfahrtagentur ISAS die Entfaltung zweier Sonnensegel in einem suborbitalen Flug mit der Höhenforschungsrakete S-310 erfolgreich. Der Entfaltungsmechanismus beruht auf der Ausnutzung der Zentrifugalkraft bei einer Rotationsbewegung. Diese Bewegung wurde auf der Höhenforschungsrakete nach Erreichen der 200-km-Grenze initiiert, so dass sich das 10-m-Sonnensegel entfalten konnte.[13][14]
Eines der beiden 20-Meter-Sonnensegel, deren Entfaltung 2005 von der NASA getestet wurde.
NASA Glenn Research Center (2005)
Im weltgrößten Simulator für Weltraumbedingungen, der Plum Brook's Space Power Facility, wurde 2005 die Entfaltung zweier konkurrierender Sonnensegelkonstruktionen getestet.[15]
IKAROS (2010)
Die Kraftwirkung auf ein Sonnensegel im All wurde erstmals mit der am 20. Mai 2010 gestarteten japanischen interplanetaren Raumsonde IKAROS gemessen.
NanoSail-D2 (2011)
Am 20. Januar 2011 öffnete der 4 kg schwere und 33×10×10 cm³ große Nanosatellit NanoSail-D2 in einer 640 km hohen Umlaufbahn ein etwa 10 m² großes Segel. Das NASA-Experiment diente dem Test einer Technologie, um Weltraummüll durch Luftreibung schneller zum Verglühen in der Atmosphäre zu bringen. Da das Segel sich nicht, wie vorausberechnet, frontal zur Anströmung, sondern flach ausrichtete, dauerte das Deorbiting statt geplanter 70 bis 120 Tage 240 Tage – NanoSail-D2 verglühte am 17. September 2011 in der Atmosphäre.[16]
LightSail (2015)
Ein Nanosatellit, der beim Start der Boeing X-37 am 20. Mai 2015 mit ins All befördert wurde und einige Tage später nach dem Entfalten seines Segels in der Atmosphäre verglühte.[17]

Systemkomponenten

Das Antriebskonzept „Sonnensegel“ erfordert hauchdünne Folien, die samt Verspiegelung und aufspannendem Gerüst zehn- bis hundertfach leichter sind als Papier und gleichzeitig reißfest genug, um aus kompakter Packung zu mehrfacher Fußballfeldgröße entfaltet werden zu können.[2]

Design

Ein Papier der NASA unterscheidet die folgenden drei Arten[18]:

  1. dreiachs-stabilisierte quadratische Segel
  2. spin-stabilisiertes Rotorblatt Segel (eng.: Heliogyro)
  3. Spin-stabilisierte kreisförmige Segel
Sail-design-types.gif

Neben diesen existieren auch noch Lösungen, die sich zum Teil aus Kombinationen der obigen drei Arten ergeben. So besitzt IKAROS z.B. ein quadratisches Segel, jedoch beruht der Entfaltemechanismus auf Fliehkraft, was dazu führte, dass der Satellit eine Spinstabilisierung benötigte. Demzufolge muss zwischen den Entfaltemechanismen (Fliehkraftausnutzung, mechanisches Ausfahren, …), den unterschiedlichen Arten der Satellitenstabilisierung und der Segelgeometrie (quadratisch, kreisförmig, Rotorblatt-ähnlich, …) unterschieden werden.

Material

MSFC-Manager Les Johnson hält ein Kohlenstoff-Vlies in den Händen, das Sonnensegel in Zukunft reißfester machen könnte.

Ein Sonnensegel besteht in der Regel aus einer Trägerschicht, meist PET / Mylar, Kapton oder Kevlar, und wird auf den zwei Seiten unterschiedlich metallisiert, um die entsprechenden Emissions- und Reflexionswerte zu erhalten. Eine dünne Chromschicht wird eingesetzt, um einen hohen Emissionswert auf der sonnenabgewandten Seite, zur Abführung der absorbierten Energie, zu erreichen und eine dünne Aluminiumschicht soll ein hohes Reflexionsvermögen generieren.[2]

Literatur

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Hermann Oberth: Die Rakete zu den Planetenräumen. Michaels-Verlag, 1984, ISBN 3-89539-700-8.
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 C. Garner u. a.: A Summary of Solar Sail Technology Developments and Proposed Demonstration Missions. NASA/JPL/ DLR, 1999, abgerufen am 11. November 2011 (PDF; 1,9 MB, englisch).
  3. Les Johnson et al.: Status of solar sail technology within NASA, Advances in Space Research, 2010, doi:10.1016/j.asr.2010.12.011.
  4. Yuichi Tsuda: Solar Sail Navigation Technology of IKAROS. JAXA. 2011. Abgerufen am 18. März 2012.
  5. NASA Announces Technology Demonstration Missions, 22. August 2011.
  6. R. A. Mewaldt, P. C. Liewer: An Interstellar Probe Mission to the Boundaries of the Heliosphere and Nearby Interstellar Space. 1999, abgerufen am 5. Juni 2011 (PDF; 2,2 MB, englisch).
  7. David S. F. Portree: Mir Hardware Heritage, Part 2 - Almaz, Salut, and Mir. In: NASA Reference Publication 1357. NASA, 1995, S. 138, abgerufen am 7. Dezember 2011 (PDF; 956 kB, englisch).
  8. Gunnar Tibert, Mattias Gärdsback: Space Webs - Final Report / Znamya (S. 5/6). ESA, abgerufen am 11. November 2011 (PDF; 6,5 MB, englisch).
  9. M. Leipold u. a.: Solar Sails for Space Exploration – The Development and Demonstration of Critical Technologies in Partnership. ESA, Juni 1999, abgerufen am 12. November 2011 (PDF; 624 kB, englisch).
  10. 10,0 10,1 L. Herbeck u. a.: Solar Sail Hardware Developments. ESA/DLR, Kayser-Threde, 2002, abgerufen am 12. November 2011 (PDF; 522 kB, englisch).
  11. E. Reichl, S. Schiessl (vfr.de): Space 2006 – Mit Chronik des Raumfahrtjahres 2005 (PDF; 8,7 MB).
  12. The Planetary Society: LightSail Mission FAQ (abgerufen Juni 2012).
  13. D. Coulter: A Brief History of Solar Sails. NASA, 31. Juli 2008, abgerufen am 12. November 2011 (PDF, englisch).
  14. O. Mori u. a.: Dynamic and Static Deployment Motions of Spin Type Solar Sail. ISAS/JAXA, 2004, abgerufen am 12. November 2011 (PDF; 291 kB, englisch).
  15. Glenn Research Center: Sailing on Sunbeams: Solar Power to Advance Interplanetary Travel, 13. Mai 2005.
  16. NASA's Nanosail-D ‘Sails’ Home – Mission Complete, 29. November 2011.
  17. Werner Pluta: Lightsail: Segeln vor dem Sonnenwind. Golem.de, 9. Juli 2015, abgerufen am 13. Juli 2015.
  18. NASA facts - Solar Sail Propulsion. NASA, April 2005, abgerufen am 19. November 2011 (PDF; 148 kB, englisch).

Diese Artikel könnten dir auch gefallen



Die letzten News


13.01.2021
Schnellere und stabilere Quantenkommunikation
Einer internationalen Forschungsgruppe ist es gelungen, hochdimensionale Verschränkungen in Systemen aus zwei Photonen herzustellen und zu überprüfen. Damit lässt sich schneller und sicherer kommunizieren, wie die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen.
12.01.2021
Elektrisch schaltbares Qubit ermöglicht Wechsel zwischen schnellem Rechnen und Speichern
Quantencomputer benötigen zum Rechnen Qubits als elementare Bausteine, die Informationen verarbeiten und speichern.
12.01.2021
ALMA beobachtet, wie eine weit entfernte kollidierende Galaxie erlischt
Galaxien vergehen, wenn sie aufhören, Sterne zu bilden.
11.01.2021
Umgekehrte Fluoreszenz
Entdeckung von Fluoreszenzmolekülen, die unter normalem Tageslicht ultraviolettes Licht aussenden.
11.01.2021
Weyl-Punkten auf der Spur
Ein Material, das leitet und isoliert – gibt es das? Ja, Forschende haben erstmals 2005 sogenannte topologische Isolatoren beschrieben, die im Inneren Stromdurchfluss verhindern, dafür aber an der Oberfläche äußerst leitfähig sind.
11.01.2021
MOONRISE: Schritt für Schritt zur Siedlung aus Mondstaub
Als Bausteine sind sie noch nicht nutzbar – aber die mit dem Laser aufgeschmolzenen Bahnen sind ein erster Schritt zu 3D-gedruckten Gebäuden, Landeplätzen und Straßen aus Mondstaub.
11.01.2021
Konstanz von Naturkonstanten in Raum und Zeit untermauert
Moderne Stringtheorien stellen die Konstanz von Naturkonstanten infrage. Vergleiche von hochgenauen Atomuhren bestätigen das jedoch nicht, obwohl die Ergebnisse früherer Experimente bis zu 20-fach verbessert werden konnten.
08.01.2021
Weder flüssig noch fest
E
08.01.2021
Mit quantenlimitierter Genauigkeit die Auflösungsgrenze überwinden
Wissenschaftlern der Universität Paderborn ist es gelungen, eine neue Methode zur Abstandsmessung für Systeme wie GPS zu entwickeln, deren Ergebnisse so präzise wie nie zuvor sind.
25.12.2020
Wie sich Sterne in nahe gelegenen Galaxien bilden
Wie Sterne genau entstehen, ist nach wie vor eines der grossen Rätsel der Astrophysik.
25.12.2020
Kartierung eines kurzlebigen Atoms
Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden, Russland und den USA unter der Leitung von Wissenschaftern des European XFEL hat Ergebnisse eines Experiments veröffentlicht, das neue Möglichkeiten zur Untersuchung von Übergangszuständen in Atomen und Molekülen eröffnet.
25.12.2020
Skyrmionen – Grundlage für eine vollkommen neue Computerarchitektur?
Skyrmionen sind magnetische Objekte, von denen sich Forscher weltweit versprechen, mit ihnen die neuen Informationseinheiten für die Datenspeicher und Computerarchitektur der Zukunft gefunden zu haben.
25.12.2020
Mysterien in den Wolken: Große Tröpfchen begünstigen die Bildung kleinerer
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) berichten die über ihre neuen Erkenntnisse, wie ausfallende große Regentropfen und Eispartikel das Wachstum von Aerosolen begünstigen können, um neue Kondensationskerne oder Eiskeimteilchen in Wolken zu erzeugen.
25.12.2020
Kollidierende Sterne offenbaren grundlegende Eigenschaften von Materie und Raumzeit
Ein internationales Wissenschaftsteam um den Astrophysikprofessor Tim Dietrich von der Universität Potsdam schaffte den Durchbruch bei der Größenbestimmung eines typischen Neutronensterns und der Messung der Ausdehnung des Universums.
25.12.2020
Endgültige Ergebnisse und Abschied vom GERDA-Experiment
Die Zeit des GERDA-Experiments zum Nachweis des neutrinolosen doppelten Betazerfalls geht zu Ende.
18.12.2020
Galaxienhaufen, gefangen im kosmischen Netz
Mehr als die Hälfte der Materie in unserem Universum entzog sich bislang unserem Blick.
18.12.2020
Zwei planetenähnliche Objekte, die wie Sterne geboren wurden
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Universität Bern hat ein exotisches System entdeckt, das aus zwei jungen planetenähnlichen Objekten besteht, die sich in sehr grosser Entfernung umkreisen.
16.12.2020
Neuen Quantenstrukturen auf der Spur
Der technologische Fortschritt unserer modernen Informationsgesellschaft basiert auf neuartigen Quantenmaterialien.
16.12.2020
Das Protonenrätsel geht in die nächste Runde
Physiker am Max-Planck-Institut für Quantenoptik haben die Quantenmechanik mit Hilfe der Wasserstoffspektroskopie einem neuen bis dato unerreichten Test unterzogen und sind der Lösung des bekannten Rätsels um den Protonenladungsradius damit ein gutes Stück nähergekommen.
03.12.2020
Laborexperimente könnten Rätsel um Mars-Mond Phobos lösen
Was lässt die Oberfläche des Mars-Monds Phobos verwittern? Ergebnisse der TU Wien liefern wichtige Erkenntnisse, bald soll eine Weltraummission Gesteinsproben nehmen.
26.11.2020
Gesund bis zum Mars
Tübinger Wissenschaftlerin untersucht mit internationalem Weltraumforschungsteam die Einflüsse der Raumfahrt auf den menschlichen Körper.
26.11.2020
Stammbaum der Milchstraße
Galaxien wie die Milchstraße sind durch das Verschmelzen von kleineren Vorgängergalaxien entstanden.
26.11.2020
Nanodiamanten vollständig integriert kontrollieren
Physikerinnen und Physikern ist es gelungen, Nanodiamanten vollständig in nanophotonischen Schaltkreisen zu integrieren und gleichzeitig mehrere dieser Nanodiamanten optisch zu adressieren. Die Studie schafft Grundlagen für zukünftige Anwendungen im Bereich der Quantensensorik oder Quanteninformationsverarbeitung.
26.11.2020
Der Sonne ein Stück näher
Der Borexino-Kollaboration, an der auch Wissenschaftler der TU Dresden beteiligt sind, ist es nach über 80 Jahren gelungen, den Bethe-Weizsäcker-Zyklus experimentell zu bestätigen.
22.11.2020
Entfernungen von Sternen
1838 gewann Friedrich Wilhelm Bessel das Wettrennen um die Messung der ersten Entfernung zu einem anderen Stern mit Hilfe der trigonometrischen Parallaxe - und legte damit die erste Entfernungsskala des Universums fest.