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Göttingen Simulation von Weltraumbedingungen
Campus Göttingen Simulation von Weltraumbedingungen
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16:11 22.09.2017
Andreas Neumann vor der Simulationsanlage des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Göttingen. Quelle: Christoph Mischke
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Göttingen

Vier Meter tief in die Erde hinein ist die 15 Meter hohe Halle gebaut, die die Simulationsanlage Treibstrahlen Göttingen für Elektrische Triebwerke, so der offizielle Name, beherbergt. „Sie steht kurz über dem Grundwasserspiegel“, berichtet Dr. Andreas Neumann, der den Bereich leitet. So ist die Halle in der Nähe des Leinekanals von der vorbeiführenden Straße entkoppelt. Erschütterungen durch vorbeifahrende Lkw werden nicht auf das Gebäude übertragen. Die Vakuumkammer selbst steht zudem auf Sockeln, die Schwingungen innerhalb des Gebäudes – etwa von zuschlagenden Türen – abfangen. So sind sehr feine Messungen möglich.

Vakuumkammer im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Göttingen

Um Weltraumbedingungen herzustellen pumpt Neumanns Team die Luft aus der Kammer heraus, was ein, zwei Tage in Anspruch nimmt. Auf der großen Stahlklappe, die die Kammer verschließt, lastet am Ende der Druck von 200 Tonnen. Die starken Kräfte im Inneren wirken auf die Edelstahlwand, die einen Zentimeter stark ist. „Die Kammer, letztlich nur eine riesige Blechbüchse, verformt sich unter dem Druck leicht“, führt der promovierte Physiker aus. Gleichzeitig werde das Innere auf minus 260 Grad Celsius herabgekühlt.

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Winzige Teilchen rasen auf das Gitter zu

Errichtet worden ist die Versuchsanlage im Jahr 2011. „Damals stieg das DLR in die Untersuchung von sogenannten Ionenantrieben für Raumfahrzeuge ein“, berichtet Neumann, der auch die entsprechende Arbeitsgruppe leitet. Inonenantriebe erzeugen aus Gasen wie Xenon ein Plasma, den vierten Aggregatzustand nach fest, flüssig und gasförmig. Plasma setzt Ionen, elektrisch geladene Teilchen, frei. Durch das Anlegen einer Spannung an ein Gitter, lassen sie sich anziehen. In einem Ionenantrieb rasen die winzigen Teilchen mit einer Geschwindigkeit von 20 bis 30 Kilometern pro Sekunde auf das Gitter zu. Zum Vergleich: Eine abgeschossene Pistolenkugel bewegt sich mit einem Kilometer pro Sekunde.

Die Gitter sind so konstruiert, dass die meisten Teilchen durch die Löcher hindurch nach außen jagen. Das erzeugt einen Rückstoß, der sich unter den Vakuumbedingungen im All als Antrieb nutzen lässt. Das Prinzip, das Raumfahrtpionier Hermann Oberth bereits 1923 in seinem Buch „Die Rakete zu den Planetenräumen“ beschrieben hat, ließ sich jahrzehntelang aufgrund der schwierigen Umsetzung nicht anwenden. Das hat sich in den vergangenen 25 Jahren geändert. Seither wird die Technik in der Raumfahrt als Alternative zu chemischen Antrieben genutzt, bei deren feste, flüssige oder gasförmige Stoffe verbrannt werden.

Weniger Treibstoff als chemische Antriebe

„Die Nachfrage nach Ionenantrieben, die viel weniger Treibstoff als chemische Antriebe benötigen und den Strom photovoltaisch oder kerntechnisch erzeugen, wächst seit ein paar Jahren kräftig“, berichtet Neumann. Der Grund: Wissenschaftler in den USA hätten gezeigt, dass sich Satelliten auch mit Ionenantrieb an ihre gewünschte Position über der Erde steuern ließen. Auf Grund der geringeren Menge an Treibstoff könnten sie deshalb mit kleineren Trägerraketen auf ins All geschossen werden. Da die Beförderung von einem Kilogramm ins All 30.000 bis 50.000 Euro koste, verringere das die Kosten erheblich.

„Ein Ionenantrieb lässt sich auch nutzen, um größere Weltraumschrott-Teile, die Satelliten gefährden, auszubremsen und so zur Erde fallen zu lassen“, führt Neumann aus. Beim Eintritt in die Erdatmosphäre verglühten sie dann.

Ionenantriebe könnten zudem zum Einsatz kommen, wenn eines Tages bemannte Missionen zu unserem Nachbarplaneten Mars gesendet werden“, ist sich der Wissenschaftler sicher. Da Ionenantriebe weniger Energie benötigten, müssten Raumschiffe anders als chemische Antrieben nicht Energie sparen. Dies würde eine insgesamt kürzere Reisezeit ermöglichen. Außerdem sei es dem Raumschiff mit effizientem Ionenantrieb dann möglich, eine Mission jeder Zeit abzubrechen und zur Erde zurückzukehren.

Von Michael Caspar

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