Xenon-Ionen steuern Satelliten

. In nahezu allen Nachrichtensatelliten, die um die Erde kreisen, steckt Technik aus Ulm: Wanderfeldröhren, die im Werk des Thales Konzerns in der Weststadt entwickelt und gefertigt werden. In diesen Elektronenröhren werden die Impulse, die von der Erde zu den in 36 000 Kilometer Höhe kreisenden Satelliten geschickt werden, auf das Millionenfache verstärkt. Dadurch erhalten sie die Kraft für ihren Rückweg zur Erde. Zu den Fernsehzuschauern, die via Satellit übertragene Bilder auf der Mattscheibe verfolgen, zu den Geräten der Telefonierer.

Seit gut einem Jahrzehnt treiben Mitarbeiter des Werks parallel dazu eine Technik voran, die ebenfalls in der Raumfahrt eingesetzt werden wird. Sie soll Satelliten mit einer preiswerteren, das Gerät schonenden und ungiftigeren Lageregelung ausstatten: mit Ionentriebwerken.

Mit Triebwerken, die einen Ionenstrahl zur Fortbewegung nutzen, wird schon seit den 1960-er Jahren experimentiert. Testaggregate sind seit einigen Jahren auf verschiedenen Satelliten installiert. Die Ulmer haben sich jetzt fest vorgenommen, dieser Technik den Durchbruch zu verschaffen.

Horst Strauss, Direktor des Raumfahrtprogramms im Werk, lacht, wenn er auf den Ursprung dieser Ulmer Forschung zu sprechen kommt. "Alles begann mit einer defekten Röhre", erinnert er sich. Die sollte luftleer sein, war aber nicht ganz dicht. Am einen Ende einer solchen Röhre sitzt die Elektronenkanone, am gegenüberliegenden der Kollektor, der den abgeschossenen mittels Magnetsystem durch die Röhre geführten Elektronenstrahl abfängt. In der defekten Röhre wurde dieser Ablauf gestört: Einige Elektronen knallten auf eingeströmte Gasmoleküle und ionisierten sie - sprich: luden sie elektrisch auf. Auf dem Kollektor, auf dem sie landeten, hatten sie ihre Spuren hinterlassen.

Es war der mittlerweile pensionierte Dr. Günter Kornfeld, der mit drei, vier seiner Kollegen dieses Phänomen aufgriff. "1998 sicherten wir uns in diesem Zusammenhang das erste Patent", berichtet Geschäftsführer Dieter Scharr. "2002 konnten wir nachweisen, dass der von uns entwickelte Antrieb einen Schub liefert." Aus der ursprünglichen Beobachtung wurde in engem wissenschaftlichen Austausch mit Forschungseinrichtungen und Universitäten das völlig neuartige Triebwerk weiterentwickelt, das bereits zahlreiche Test in Vakuumräumen bestanden hat. Erstmals im Weltraum eingesetzt werden soll es 2012 in Small Geo, einen drei Tonnen schweren, anderthalb Meter langen und einem Meter breiten eingesetzten Telekommunikations-Satelliten aus Deutschland.

In Bezug auf die Erdoberfläche sind diese Satelliten ortsfest. Damit sie ihre Aufgabe erfüllen, müssen ihre Antennen stets zur Erde gerichtet sein. Diese Stabilität erlangen die Satelliten, weil sie jeden Tag zweimal auf Kurs gehalten werden. Fiel diese Justierung aus, würden sie schnell von den Gravitationen von Sonne und Mond und Sonnenwinden aus der Bahn geworfen. Bisher erledigt diese Arbeit ein Bündel von Düsen, in denen Hydrazin verbrannt wird, eine extrem giftige Chemikalie, die mit ins All geschossen werden muss. Um einem Satelliten 15 Jahre lang zu nutzen, sind 600 bis 700 Kilogramm dieser Chemikalie nötig.

"Diesem Aufwand stellen wir unser Triebwerk entgegen. Das benötigt nur ein Zehntel des Treibstoffs, um das selbe zu leisten", berichtet Scharr. Bei dem Treibstoff handele es sich auch nicht um toxisches Hydrazin, sonders das ungiftige Edelgas Xenon, das beispielsweise für seinen Einsatz in Autoscheinwerfern bekannt ist. "Wenn man weiß, dass ein Kilogramm Startgewicht bei einer Ariane-Rakete mit 20 000 US-Dollar zu Buche schlägt, wird der wirtschaftliche Vorteil, den wir bieten, offensichtlich", betont Scharr.

Wie funktioniert das neue Triebwerk, dass zurzeit etwa 20 Mitarbeiter im Weststadter Thales Werk in ungezählten Tests zur Einsatzreife bringen? "Unser High Efficiency Multi Stage Plasma (HEMP)-System ist mit einem Antrieb ausgestattet, bei dem neutrale Xenon-Atome als Treibstoff in einer Plasmaentladung ionisiert und anschließend elektrisch beschleunigt werden", erläutert Dr. Norbert Koch, Leiter der Plasma-Abteilung. Den für den Betrieb nötigen Strom produzieren die Sonnenpaddel am Satelliten. Der Ionenstrom lasse sich über eingebaute Magnete so fein steuern, dass er für jede Satellitenkorrektur den exakten Schub liefere. Herkömmliche Triebwerke arbeiteten viel grober. Jedesmal, wenn sie für Sekunden gezündet werden, produzierten sie einen Ruck, was den Geräten im Satelliten nicht gut tue.

Small Geo wird mit vier in Ulm produzierten Triebwerken ausgestattet. Ihre Schubkraft sei zwar sehr gering, erläutert Koch. Über einige zehn Minuten eingesetzt, summiere sie sie sich aber bis zum angestrebten Erfolg.

Wenn alles wie geplant klappt, werden sich die Weststadter mit dieser Technik bis Mitte des Jahrzehnts ein zweites wirtschaftliches Standbein schaffen.