Dawn-Raumsonde mit Ionen-Triebwerk
Dawn-Raum­son­de mit Io­nen-Trieb­werk
Bild 1/3, Credit: NASA/JPL-Caltech/UCLA/McREL.

Dawn-Raumsonde mit Ionen-Triebwerk

Das Io­nen-Trieb­werk von Dawn ver­braucht ma­xi­mal 2.500 Watt. Zur Er­zeu­gung des Stroms in bis zu 420 Mil­lio­nen Ki­lo­me­tern Ent­fer­nung zur Son­ne hat die Son­de große So­lar­pa­ne­le mit ei­ner Spann­wei­te von 20 Me­tern.
Testlauf eines Ionen-Triebwerks
Test­lauf ei­nes Io­nen-Trieb­werks
Bild 2/3, Credit: NASA/JPL.

Testlauf eines Ionen-Triebwerks

Test­lauf ei­nes Io­nen-Trieb­werks mit dem cha­rak­te­ris­ti­schen blau­en Strahl der in ei­nem Ma­gnet­feld be­schleu­nig­ten Xe­non-Io­nen.
Xenon-Tank der Dawn-Sonde
Xe­non-Tank der Dawn-Son­de
Bild 3/3, Credit: NASA/JPL.

Xenon-Tank der Dawn-Sonde

Die in die­sem Tank mit­ge­führ­ten 450 Ki­lo­gramm des Edel­ga­ses Xe­non rei­chen für et­wa 50.000 Be­triebs­stun­den aus.

Dawn wird im Unterschied zu den meisten interplanetaren Sonden nicht durch einen chemischen Raketenmotor angetrieben, sondern durch einen vergleichsweise sparsamen elektrischen Ionen-Antrieb, der seine Energie von der Sonne bezieht. Dieser eignet sich besonders für Langstreckenflüge. Erstmalig wurde dieses innovative Antriebskonzept 1998 bei der NASA-Mission Deep Space 1 zum Kometen Borrelly eingesetzt. 2004 testeten die Europäer erfolgreich einen eigenen Ionen-Antrieb auf der Mondsonde Smart-1. Beide Missionen waren wichtige technische Demonstrationen für die weitere Entwicklung elektrischer Raumflugantriebe.

Im Ionen-Motor werden Elektronen in ein Magnetfeld geschossen, in dem sich das Edelgas Xenon befindet. Wenn ein Xenon-Atom getroffen wird, verliert es eines seiner negativ geladenen Elektronen und wird zum positiv geladenen Ion. Die Xenon-Ionen werden durch das vorhandene Magnetfeld jeweils mit einem kleinen Rückstoß aus der Antriebsdüse herausgeschleudert. Der resultierende Schub ist nicht größer als der Druck, den ein Blatt Papier auf eine ausgestreckte Handfläche ausübt – winzig im Vergleich zu chemischen Raketenmotoren und doch wirkungsvoll.

Mit wenig Treibstoff ganz weit kommen

Das Geheimnis liegt in der Ausdauer der Ionen-Technik. Während chemische Triebwerke nur für einige Minuten zünden und in dieser kurzen Zeit ihren Schub entfalten, können elektrische Triebwerke über Wochen oder sogar Monate laufen und einen Raumflugkörper in kleinen Schritten immer schneller werden lassen. Theoretisch kann so auf einer langen interplanetaren Reise der Schub der stärksten Trägerraketen übertroffen werden.

Der Schlüssel für die Ausdauer ionengetriebener Raumschiffe ist der geringe Treibstoffverbrauch. Dawn benötigt während einer 24-stündigen Zündung nur 250 Gramm Xenon. Am Ende der Mission wird das Ionen-Triebwerk 50.000 in Betrieb gewesen sein und dafür nur 425 Kilogramm Xenongas gebraucht haben. Jedes Kilogramm Treibstoff hat dann zehnmal soviel Schub erzeugt, wie es ein Kilogramm Wasserstoff und Sauerstoff im konventionellen Raketenmotor vermocht hätten.

Bereits auf dem Weg zu Vesta hat Dawn den größten Geschwindigkeitszuwachs erlangt, den je ein interplanetares Raumschiff geschafft hat. Alle Beschleunigungs- und Bremsmanöver bis hin zum niedrigsten Orbit um Ceres zusammengerechnet werden Dawns drei Ionen-Triebwerke über die gesamte Reise etwa 2.000 Betriebstage sammeln und dabei die Geschwindigkeit der Sonde um 38.620 Kilometer pro Stunde ändern - das ist im Vergleich zur konventionellen Technologie chemischer Triebwerke annähernd der Schub einer amerikanischen Delta-II-Rakete.

Die Sparsamkeit des Ionenantriebs ermöglicht eine anspruchsvolle Bahnführung für Dawn, die im gesetzten Kostenrahmen mit einem chemischen Triebwerk nicht möglich wäre. Zum ersten Mal in der Raumfahrtgeschichte wird die Sonde den Orbit zweier Himmelskörper nacheinander ansteuern. Vesta und später Ceres werden die Sonde anfangs auf eine mehrere tausend Kilometer entfernte Umlaufbahn lenken. Von dort aus wird sie sich mit gezündetem Ionen-Antrieb auf einer Einwärtsspirale jeweils über viele Wochen ihrem Zielobjekt nähern.

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