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Donnerstag, 21. März 2019

Satellitentechnik

Die Entdeckung der Langsamkeit

Von Iestyn Hartbrich | 19. Oktober 2017 | Ausgabe 42

Der erste in Europa gebaute rein elektrische Satellit hat seinen Zielorbit in 36 000 km Höhe erreicht. Branchenexperten zufolge gehört der elektrischen Antriebstechnik die Zukunft.

Raumfahrt (2)
Foto: Airbus Defence and Space SAS 2017

Im Orbit: Der erste in Europa gebaute Satellit mit rein elektrischem Antrieb hat sein Ziel in 36 000 km Höhe erreicht

Plötzlich haben die Satellitenbetreiber ganz viel Zeit. Vier Monate oder gar ein halbes Jahr vom Start bis in den Zielorbit ist heute kein Problem mehr. Dies war bis vor kurzem noch undenkbar. Da galt das Dogma: Möglichst schnell in den geostationären Orbit (GEO). Und deshalb hatten alle Kommunikationssatelliten chemische Antriebe an Bord, die Treibstoff verbrannten. Wenige Zündungen, viel Schub – und nach nicht einmal einer Woche war der Satellit, wo er sein sollte.

Dann kam Boeing. Der US-amerikanische Satellitenhersteller baute für zwei Betreiber insgesamt vier Satelliten, die erstmals auf chemische Triebwerke verzichteten. Sie sind rein elektrisch angetrieben. Als zweiter Hersteller hat der Airbus-Konzern nachgezogen. Der rein elektrisch angetriebene Satellit Eutelsat 172B ist nach viermonatigem Flug gerade im GEO in 36 000 km Höhe angekommen. Noch in diesem Jahr will das Unternehmen seine Nummer Zwei, den Satelliten SES-12 ausliefern. Dies wird der bislang größte All-electric-Satellit im Orbit sein.

Dass der Betreiber SES aus Luxemburg sich für einen rein elektrisch angetriebenen Satelliten entschieden hat, war für die Antriebstechnik der Ritterschlag. Das Unternehmen gilt branchenintern als penibel. Seine Ingenieurinnen und Ingenieure sind in der Lage, Satelliten und ihre Komponenten sehr genau zu beurteilen. „Die Technik ist reif, elektrischen Antrieben gehört die Zukunft“, sagt nun Konzernsprecher Markus Payer.

Neu ist die elektrische Antriebstechnik nicht. Vor allem in der russischen Raumfahrt wird sie seit Jahrzehnten eingesetzt. Dabei gibt es grundsätzlich zwei Arten von elektrischen Raumfahrtantrieben: Plasmatriebwerke und Ionentriebwerke. Ionentriebwerke sind effizienter, erzeugen allerdings weniger Schub. In diesen Motoren wird Xenongas ionisiert und durch ein 50-kV-Feld gepresst. Die dafür nötige Energie stellen Solarpaneele bereit. Die Xenonionen werden im elektrischen Feld beschleunigt und bei hohen Geschwindigkeiten ausgestoßen.

Satellitenexperten schreiben den Erfolg der All-electric-Satelliten einem Leistungssprung bei den Triebwerken (thruster) zu. „In den letzten Jahren hat sich die Leistung der Thruster – ausgehend von 80 mW – mehr als verdreifacht“, sagt Gérard Berger, der die Abteilung technische Kommunikation beim Satellitenbauer Airbus leitet. Das habe die Dauer des „orbit raising“ von mehreren Jahren auf unter sechs Monate gedrückt. Darunter versteht man den Vorgang, den Orbit des Satelliten sukzessive anzuheben, bis er im GEO angekommen ist.

Foto: Airbus SAS 2017

Telekommunikationssatellit: Eutelsat 172B verfügt bei einer Startmasse von nur 3550 kg über eine elektrische Nutzlastleistung von 13 kw.

Chemisch angetriebene Satelliten werden klassischerweise von der Oberstufe der Trägerrakete in den Geotransferorbit (GTO) eskortiert. Der GTO ist eine Ellipse, deren einer Brennpunkt die Erde ist. Dann folgt der sogenannte Hohmanntransfer. Jeweils am erdfernsten Punkt der Ellipse zünden die Triebwerke und heben damit die Bahn an. Aus einer Ellipse wird nach drei bis fünf Manövern und annähernd sechs Tagen eine Kreisbahn in 36 000 km Höhe, die die konstante Positionierung relativ zur Erdoberfläche ermöglicht: der geostationäre Orbit.

Bei elektrischen Satelliten ist das Manöver viel komplizierter. Der Hauptunterschied zu chemischen Motoren: Mit wenigen Zündungen ist es nicht getan. „Weil die elektrischen Antriebe so wenig Schub erzeugen, müssen sie nahezu kontinuierlich Schub erzeugen“, sagt Berger.

Ein zweiter großer Unterschied: Chemisch angetriebene Satelliten klappen ihre Solarpaneele zunächst nur teilweise aus – ein Paneel von insgesamt vier bis fünf pro Flügel. Die Flügel werden erst im Zielorbit voll ausgeklappt, wo sie Leistung für die Kommunikationsnutzlast bereitstellen. Elektrisch angetriebene Satelliten hingegen klappen gleich nach dem Trennen der Oberstufe all ihre Paneele aus – und fahren von nun an mit annähernd konstanter Leistung. Während des „orbit raising“ wird die Leistung verwendet, um das elektrische Feld zum Beschleunigen des Xenongases zu erzeugen. Im GEO wird die Leistung für die Kommunikationsnutzlast bereitgestellt.

Der Vorteil: Durch den Einsatz der Solarpaneele während der Manöver sinkt die Masse des benötigten Treibstoffs drastisch. „Den Gewichtsvorteil können wir nutzen, um entweder auf eine kleinere und billigere Rakete auszuweichen, oder um bei ähnlichem Startgewicht eine deutlich komplexere Mission mit mehr Nutzlast zu fliegen“, sagt SES-Sprecher Markus Payer.

„Elektrische Triebwerke sind fünfmal so effizient wie chemische, das heißt: Ein Drittel der Treibstoffmasse kann eingespart werden“, sagt Andreas Lindenthal, COO des Bremer Satellitenbauers OHB, der mit Electra ebenfalls eine elektrisch angetriebene Satellitenplattform entwickelt. Erstkunde wird übrigens SES sein. Dem gegenüber benötige der Satellit zwar größere Solargeneratoren, aber: „In der Summe ergibt sich eine sehr vorteilhafte Massenbilanz zugunsten höherer Nutzlastfähigkeit“, sagt Lindenthal. „Ein elektrisch angetriebener Satellit kann doppelt so viel Nutzlast an Bord haben wie ein baugleicher chemisch angetriebener Satellit.“

Nun, da sich die Antriebstechnik auf mehreren Satelliten unterschiedlicher Hersteller bewährt hat, steht ihr offenbar der Durchbruch bevor. „Wir rechnen damit, dass zeitnah alle Satelliten entweder hybrid oder elektrisch angetrieben sein werden“, sagt SES-Sprecher Payer. Alle bestellten Satelliten des Konzerns seien hybrid oder elektrisch angetrieben. „Es ist nicht einzusehen, warum wir überhaupt noch Satelliten ohne Elektroantrieb fliegen sollten.“