So wollen die Forschenden des IEFE künftig unsere Satelliten im Weltraum bewegen
Ein neuartiger chemischer Mikroantrieb, der mit Wasser und Aluminiumpulver betrieben wird, soll künftig Kleinsatelliten sicher und zuverlässig im Weltraum manövrieren. Entwickelt wird das Antriebssystem von einem Forschungsteam des IEFE, der Universität Tokio und der Sirin Orbital Systems AG.
Ein Team am IEFE forscht an einem neuartigen chemischen Mikroantrieb für Satelliten. Dieser nutzt Wasser und Aluminiumpulver als Treibstoff. Der neue Mikroantrieb soll bei der Überführung von Satelliten in eine neue Umlaufbahn, dem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre oder beim Einbringen von Asteroidenproben den notwendigen Schub geben.
Für solche Manöver ist ein Antriebssystem notwendig, das grosse Geschwindigkeitssteigerungen in kurzer Zeit ermöglicht. Die bekannten Antriebe für Kleinsatelliten - wie die elektrischen Systeme oder Kaltgasantriebe - haben Defizite beim notwendigen Schubniveau oder ihr Verbrennungsprozess birgt Risiken. Das neue Mikroantriebssystem hingegen, an dem am IEFE geforscht wird, zeichnet sich durch eine ausgeprägte Sicherheit und Zuverlässigkeit aus. Die hohe Energiedichte des Wasserdampf-Aluminiumpulver-Treibstoffs ist ein weiteres Plus.
Aluminium als Treibstoff ist besonders sicher, weil die Oberflächen des Aluminiumpulvers mit einem Oxidfilm überzogen sind. Dadurch ist das Metall bei Raumtemperatur wenig reaktionsfreudig. Erst durch das Erhitzen des Aluminiumpulvers wird der Oxidfilm aufgebrochen, und das Metall kann mit einem Oxidationsmittel zur Reaktion gebracht werden. Im chemischen Mikroantrieb des IEFE wird Wasser zu diesem Zweck verwendet. Dieses wird zunächst in einem Verdampfer erhitzt. Der Dampf wird anschliessend in die Brennkammer geleitet, in die gleichzeitig auch Aluminiumpulver eingeblasen wird. Das Gemisch wird anschliessend mittels eines Zünders in Brand gesetzt. Die Verbrennungsgase treten daraufhin mit hoher Geschwindigkeit über die Düse aus, was den gewünschten Schub erzeugt. Aufgrund der fehlenden Schwerkraft wird zum Transport des Aluminiumpulvers in die Brennkammer ein Transportgas verwendet.
Das beschriebene Mikroantriebssystem funktioniert heute in der Theorie. Für die praktische Umsetzung gibt es noch drei technische Probleme, für die das Forschungsteam des IEFE, der Universität Tokio und der Sirin Orbital Systems AG derzeit Lösungen entwickeln. Zum einen führt der hohe Druck in der Brennkammer zur Gefahr einer ungewollten Entzündung des Aluminium-Wasserdampf-Gemisches. Dieses Problem soll mit einer Begrenzung des Zünddrucks auf 100 kPa und der Verwendung von sehr feinem Aluminiumpulver (ca. 10 µm) gelöst werden. Die zweite Herausforderung liegt darin, dass die zweiphasige Gas-Flüssigkeits-Strömung die Düsenleistung verschlechtert. Das Team erwartet jedoch, diese Effekte durch Optimierung der Brennkammergeometrie minimieren zu können. Dazu sollen die Länge der Brennkammer und der Düse auf nur 10 mm bis maximal 50 mm reduziert werden. Der dritte Punkt betrifft die genaue Dosierung der Pulverzufuhr in die Brennkammer. Dies wird durch das erwähnte Trägergas in Kombination mit verschiedenen Ventilen und dedizierten Steuerungssystemen erreicht.
Momentan arbeitet das IEFE-Forschungsteam an theoretisch-praktischen Nachweisen, dass die beschriebenen Lösungen die technischen Hürden überwinden und das neue Mikroantriebssystem in der Praxis funktionieren wird. Dazu werden beispielsweise erste Funktionsmuster der relevanten Subsysteme entwickelt und getestet. In der neunstufigen Skala (1 = Basic principle, 9 = Flight proven) der Europäischen Weltraumorganisation ESA befindet sich das Projekt derzeit auf der Stufe 3 (TRL3: Proof-of-Concept). Die Forschenden sind zuversichtlich, dass sie den Schritt in die Stufe 4 (TRL4: Functional Verification) bis Mitte 2024 erreichen werden. Danach kann ein erster Gesamtsystem-Prototyp des neuartigen chemischen Mikroantriebssystems entwickelt werden.
Beteiligte
Masaya Murohara, zhaw/iefe und The University of Tokyo
Dr. Marius Banica, zhaw/iefe
Matteo Madi, Sirin Orbital Systems AG
Hiroyuki Koizumi, The University of Tokyo
Patentanmeldung
Système de micropropulsion à eau et à poudre métallique pour petits satellites. (CH718280A2)