Triebwerke mit sehr geringen Schubleistungen im Mikro-Newton Schubbereich werden benötigt um für zukünftige wissenschaftliche Missionen eine störungsfreie Umgebung auf dem Satelliten zu generieren. Dies ist notwendig, da die höchstauflösenden Instrumente zukünftiger Missionen – wie die intertiale Sensorik auf einem Satelliten und hochgenaue Abstandsmessungen zwischen Satelliten – nur verlässlich funktionieren, wenn eine rauscharme Umgebung herrscht.
Ein hierfür geeignetes Triebwerkskonzept ist das Hoch-Effiziente Mehr-Stufige Plasma-Triebwerk (HEMPT) von Thales Electron Devices. Dieses arbeitet bereits im Milli-Newton Bereich und zeigt vielversprechende Eigenschaften in Bezug auf die Systemkomplexität und Lebensdauer sowie auf die Anwendungsmöglichkeit im Mikro-Newton Bereich.
Zum Funktionsprinzip des HEMP-Triebwerkes: Ein Neutralisator außerhalb des Triebwerks erzeugt freie Elektronen, die aufgrund ihrer negativen Ladung von einer Anode angezogen und stark beschleunigt werden. An der Anode selbst wird Xenon-Gas eingelassen, welches die freien Elektronen auf ihrem Weg zur Anode ionisieren. Die dadurch entstehenden, positiv geladenen Ionen (Plasma) werden von der Anode elektrostatisch abgestoßen. Der sich bildende Ionenstrom löst durch seinen Rückstoß schließlich den Schub des Triebwerks aus. Ringförmige Permanentmagneten, die die äußere Begrenzung des Triebwerks bilden, erzeugen ein Magnetfeld, das die Elektronen auf ihrem Weg zur Anode auf eine Kreisbahn zwingt. Dadurch können mehr Xenon Atome ionisiert werden und die Effizienz des Antriebs wird gesteigert. Zusätzlich bewirkt das Magnetfeld eine Abschirmung des Plasmas von der Kammerwand, was die Lebensdauer des Triebwerks verlängert, da ansonsten das Plasma an der Kammerwand reagieren und diese nach und nach zerstören würde; der Vorteil eines verschleißfreien Triebwerks mit hohem Wirkungsgrad wäre dann nicht mehr gegeben.
In einem Kooperationsprojekt von Airbus D&S (Friedrichshafen), dem DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen, dem Zentrum für Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen und der Christian Albrechts Universität zu Kiel wird ein solches Mikro-Newton HEMP-Triebwerk im Kooperationslabor bei Airbus DS im Experiment aufgebaut und charakterisiert. Zur Verifizierung der Schübe im Mikro-Newton Bereich wurde eine hochpräzise optisch ausgelesene Schubmesswaage entwickelt, die innerhalb der Anforderungen der LISA-Mission (Laser Interferometer Space Antenna) operiert.
Die Mikro-Newton Entwicklung wird unterstützt durch Simulationen. Die Mikro-Triebwerksvariante ist zu klein, um Plasmadiagnostik in seinem Inneren durchzuführen. Mittels Computersimulationen lassen sich die Auswirkungen von verschiedenen Magnetfeldkonfigurationen auf das Plasma untersuchen. Durch das daraus gewonnene Verständnis sollte sich ein optimales Design für ein herunterskaliertes Mikro-Newton HEMPT finden.