Das ist die Transkription einer Folge meines Sternengeschichten-Podcasts. Die Folge gibt es auch als MP3-Download und YouTube-Video. Und den ganzen Podcast findet ihr auch bei Spotify.
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Sternengeschichten Folge 375: Der Ionenantrieb
In der Welt von Star Wars fliegen die Anhänger des Imperiums mit TIE-Fightern durch die Gegend. Das sind die Dinger, die probiert haben Luke Skywalker abzuschießen, als er den Todesstern zerstören wollte. Aber es soll heute nicht um TIE-Fighter gehen; ich erwähne die Raumschiffe deswegen, weil das „TIE“ für „Twin Ion Engine“ steht; sie also offensichtlich mit einem Ionenantrieb durchs All fliegen. Ein Ionenantrieb klingt nach Science-Fiction, ist es aber nicht. Es gibt ihn wirklich und es fliegen auch ganz in echt Objekte damit durchs Weltall.
Um zu verstehen wie ein Ionenantrieb funktioniert müssen wir einen kurzen Ausflug in die Grundlagen der Raketentechnik machen. Wie eine Rakete – oder allgemein ein Objekt im Weltall – fliegt, wird durch die sogenannte Raketengrundgleichung beschrieben. Die hat der russische Forscher Konstantin Eduardowitsch Ziolkowski im Jahr 1903 aufgestellt. Vereinfacht gesagt sagt sie, dass die Geschwindigkeit einer Rakete davon abhängt, wie schnell sie eine sogenannte „Stützmasse“ ausstoßen kann. Je mehr und je schneller die Rakete hinten Masse ausstößt, desto schneller fliegt sie in die andere Richtung davon (das folgt aus der Impulserhaltung). Deswegen sind Raketen die von der Erde aus starten auch so groß: Sie müssen jede Menge Treibstoff mitnehmen um ausreichend viel Masse ausstoßen zu können so dass sie die für einen Flug ins All nötige Geschwindigkeit erreichen. Und auch im All brauchen Raumsonden Treibstoff, wenn sie schneller, langsamer werden oder die Richtung ändern wollen. Und da es dort nirgendwo Tankstellen gibt, ist die Lebensdauer dieser Raumfahrzeuge begrenzt: Ist der Treibstoff alle, dann geht nichts mehr. Man kann natürlich gleich von Anfang an sehr viel Treibstoff mitnehmen. Aber den müsste man dann von der Erde ins All bringen und braucht dafür NOCH mehr Treibstoff. Irgendwann wird das zu teuer. Der Ionenantrieb ist ein Weg, dieses Problem zu umgehen.
Der gleiche Ziolkowski der 1903 mit der Raketengrundgleichung die Grundlage für die moderne Raumfahrt gelegt hat, schrieb 1911 in einem anderen Werk: „Es ist möglich dass wir im Laufe der Zeit die Elektrizität nutzen können um Teilchen mit hohen Geschwindigkeiten aus einer Rakete auszustoßen“. Er führte das Konzept auch weiter aus und erwähnte die „Kathodenstrahlen“, ein Phänomen das erst ein paar Jahrzehnte zuvor entdeckt wurde. Es handelt sich dabei um gebündelte Strahlen aus Elektronen, also den elektrisch negativ geladenen Teilchen die unter anderem die Hüllen der Atome bilden. Ziolkowski hielt fest, dass solche Elektronen sich mit hohen Geschwindigkeiten bewegen; bis zu 20.000 mal schneller als etwa die Gase die ein normaler Verbrennungsmotor ausstößt. Der amerikanische Raumfahrtpionier Robert Goddard erwähnte in seinen Texte ebenfalls die Möglichkeit, Raumfahrzeuge durch schnell bewegte Elektronen oder ähnliche Teilchen anzutreiben, verfolgte die Idee aber nicht weiter. Erst Physiker Hermann Oberth machte eine große Öffentlichkeit mit dieser Version der Raumfahrt bekannt. In seinem extrem einflußreichen Buch „Wege zur Raumschifffahrt“, das 1929 erschien, widmete er dem Konzept ein ganzes Kapitel mit dem Titel „Das elektrische Raumschiff“.
Aus moderner Sicht ist die Idee eines Ionenantriebs eigentlich sehr einfach zu verstehen. Es braucht dafür – wenig überraschend – Ionen. Also elektrisch geladene Teilchen, die man zum Beispiel bekommen kann, in dem man normalen Atomen ihre Hülle aus negativen geladenen Elektronen wegnimmt. Übrig bleiben die positiv geladenen Atomkerne. Wegen ihrer elektrischen Ladung können die nun durch elektrische Felder beschleunigt werden. Und – wie ich schon gesagt habe – wenn ein Objekt Masse in die eine Richtung ausstößt, bewegt es sich in die andere Richtung. Das funktioniert auch, wenn die Masse aus Atomkernen besteht. Die Bewegung ist dann halt sehr gering, aber das muss nicht unbedingt ein Problem sein.
In der Praxis verwendet man heute sehr oft das Gas Xenon als Quelle der Ionen. Es hat den Vorteil, dass es vergleichsweise leicht zu beschaffen ist und kaum mit irgendwelchen anderen Materialien chemisch reagiert. Was praktisch ist, denn man will ja nicht, dass in einer Raumsonde irgendwelche chemischen Reaktionen ablaufen die man nicht kontrollieren kann. Die Xenon-Atome zu ioniesieren, ihnen also die Elektronen wegzunehmen, ist einfach; dazu braucht es nur ein wenig Energie. Energie braucht auch das elektrische Feld mit dem die Ionen dann beschleunigt werden. Die kann man durch Solarzellen gewinnen, denn Sonnenlicht gibt es auch im Weltall ausreichend (zumindest dann wenn man sich nicht zu weit von unserem Stern entfernt). Die technischen Details sind natürlich komplex: Man muss zum Beispiel dafür sorgen, dass die Teilchen wieder neutralisiert werden, bevor man sie nach der Beschleunigung ausstößt; das heißt man muss ihnen die Elektronen wieder zurück geben. Ansonsten würden die Teilchen sich nämlich nicht in gerader Linie vom Raumfahrzeug weg bewegen sondern wegen ihrer elektrischen Ladung einen Bogen machen und von der Raumsonde angezogen wieder zu ihr zurück kehren.
Aber im Prinzip braucht man für einen Ionenantrieb nicht mehr als ein paar Dutzend Kilogramm Stützmasse, die die geladenen Teilchen liefert. Und ausreichend viele Solarzellen um die nötige Energie für das elektrische Feld zu generieren. Mit den beschleunigten Teilchen die vom Ionenantrieb ausgestoßen werden kann man ein Raumfahrzeug bewegen. Die Teilchen bewegen sich mit bis zu 200 Kilometern pro Sekunde – was aber nicht bedeutet, dass sich das Raumfahrzeug mit der gleichen Geschwindigkeit in die andere Richtung entfernt. Denn dessen Masse ist natürlich deutlich größer als die Masse der ausgestoßenen Teilchen. Ein Ionenantrieb ist daher nicht ausreichend schnell um damit von der Erde ins All zu fliegen. Die Kraft die ein typischer Ionenantrieb produziert entspricht ungefähr dem Druck man spüren würde, wenn einem ein paar Blätter dickes Papier auf den Kopf fallen. Aber, und das ist der Punkt um den es geht: Ein Ionenantrieb kann diese Kraft für lange Zeiten aufrecht erhalten. Und im luftleeren Raum des Alls gibt es keinen Widerstand der das Raumfahrzeug wieder abbremst. Wenn man lange genug beschleunigt, dann erreicht man auch mit kleiner Kraft am Ende einen großen Effekt. Und man muss dafür keine gewaltigen Treibstoffmengen mit ins All nehmen!
Die ersten Tests mit Ionentriebwerken hat man in den 1960er Jahren bei der NASA gemacht. Mittlerweile gibt es viele Raumsonden und Satelliten die diese Technik nutzen. Zum Beispiel der europäische Kommunikationssatellit Artemis: Er flog 2001 ins All und hatte zwei neue Ionentriebwerke an Bord die eigentlich nur getestet werden sollten. Der Test verlief erfolgreich, aber nicht so wie man sich das vorgestellt hatte. Die Rakete die Artemis ins All brachte erreichte nicht ihre volle Leistung und der Satellit landete in einer viel tieferen Umlaufbahn als vorgesehen war. Aber mit den Ionentriebwerken konnte er seine vorgesehene Position doch noch erreichen; allerdings etwas verspätet. Es dauerte fast ein Jahr in dem Artemis jeden Tag 20 Kilometer höher stieg bis das Ding endlich dort war wo es sein sollte.
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Ebenfalls sehr erfolgreich war die japanische Raumsonde Hayabusa. Sie flog 2003 ins All und war die erste japanische Sonde mit einem Ionentriebwerk. Ihr Ziel war der Asteroid Itokawa, von dem sie Proben sammeln und zurück zur Erde bringen sollte. Was auch gelang – aber normalerweise werden Ionenantriebe nicht verwendet um damit kreuz und quer durchs Sonnensystem zu fliegen. Bzw. macht man das nur dann, wenn man es nicht eilig hat. Ionenantriebe sind heute vor allem zur Korrektur der Bahn von Kommunikationssatelliten im Einsatz. Damit die ihre Funktion erfüllen können müssen sie eine ganz bestimmte Position über der Erdoberfläche einnehmen. Die Gravitationskraft von Sonne und Mond beeinflusst sie aber ein wenig und schiebt sie langsam aber sicher aus den vorgesehenen Umlaufbahnen. Man muss die Bahn regelmäßig korrigieren; nur ein bisschen aber auch dafür braucht man Treibstoff. Ionentriebwerke sind dafür ideal denn man kann mit wenig Masse lange arbeiten und das macht die ganze Angelegenheit billig. Was wichtig ist, da die meisten Kommunikationssatelliten kommerziell betrieben werden und je länger so ein Ding lebt, desto besser und profitabler für die Betreiber.
Im Prinzip spricht aber nichts dagegen, Ionentriebwerke auch für sehr viel ambitioniertere Zwecke einzusetzen. Es gibt Pläne um ganze Raumstationen damit auf ihren vorgehesehenen Umlaufbahnen zu halten. Und sogar Konzepte, wie man mit einem Ionenantrieb Raumsonden zu anderen Sternen fliegen kann. Halsbrecherische Hochgeschwindigkeitsverfolgungsjagden mit TIE-Fightern im All wie bei Star Wars werden aber auch in Zukunft nur Science-Fiction bleiben.
Kann man denn auch „einfach“ Licht als Antrieb benutzen? Denn auch durch den Ausstoß von Licht müsste man doch einen Rückstoß erzeugen können.
…fragt einer, der sich NULL damit auskennt.
@Nikolai
Ja, das geht, liefert aber nur sehr begrenzten Rückstoß.
Nee, Spritkopf, Nikolai dürfte eher was Aktiveres meinen, nach klassischem Vorbild. So ein MegaLaser achtern hätte in unbequemen Situationen auch noch den Vorteil, als Waffe zweitverwendet werden zu können – Angriff durch Flucht, welche Vorstellung^^
Klar, die angesprochene Begrenzung bleibt.
Ist das für einen modernen Raketenantrieb nicht ein bisschen langsam? Im CERN kann man Bleikerne fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Steht hier:
http://www.heise.de/ct/artikel/Herren-der-Ringe-291742.html
Das wäre doch mal ein Antrieb!
@Solarius: “ Im CERN kann man Bleikerne fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen“
Klar. Aber es ist ein wenig schwer, einen Tunnel mit 27 Kilometer Umfang, jeder Menge extrem schwerer supraleitender Magnete etc an ein Raumschiff zu basteln und damit durchs All zu fliegen…
@FF
Tät aber super aussehen 😉
@FF
Warum heißt dieser Artikel „Sternengeschichten Folge 375“ ? Dieser Artikel hat doch gar nichts mit Sternen zu tun. Sondern nur mit Raumfahrt.
@Leser: Meine Güte…
Wäre das nicht auch das richtige Tool um gefährliche Asteroiden abzulenken? Zumindest die, bei denen man noch Zeit hat.
Auf dem Asteroiden absetzen und mit den Antrieb schieben.
Man braucht zwar vielleicht Monate oder Jahre aber das gibt der Antrieb ja her.
Da es ja nur kleine Kräfte sind, hat man auch kein Problem mit dem auseinanderbrechen der Teile.
Kann ich mir besser vorstellen als die oft beschriebene Ablenkung durch eine große Masse.
@Rainer: Prinzipiell wäre das natürlich schon eine Antriebsmethode. Aber so ein Asteroid hat natürlich auch sehr viel Masse. Ich weiß jetzt grad nicht aus dem Kopf wie groß die Bahnänderung wäre, die man mit einem aktuellen Ionenantrieb hier wirklich hinkriegt. Aber wenn ausreichend viel Zeit hat, ginge es sicher.
Mein Freudscher Verleser von heute:
…werden Ionenantriebe …verwendet …wenn man es nicht eilig hat. Ionenantriebe sind heute „vor allem Konkurenz zur Bahn…“
richtig natürlich „vor allem zur Korrektur der Bahn…“
@FF
Tja, meine Güte, dann kannst du natürlich alles unter „Sternengeschichten“ laufen lassen. Wozu Titel ?
@Leser: Was hast du dir vorgestellt: Nen vertonten Sternenkatalog? Du bist ja jetzt nicht erst seit heute hier. Dir sollte klar sein, dass die Sternengeschichten nicht nur von Sternen handeln sondern von allem was im Kosmos interessant ist. Ich hab auch schon ne Folge über Tycho Brahe gemacht (der war auch kein Stern). Und über Asteroiden (auch keine Sterne). Gerade schreibe ich ne Folge über die Venus (auch kein Stern). Du kannst aber gerne alle Folgen ignorieren die nicht von Sternen handeln und nur die anhören in denen ich von heißen Gaskugeln im All spreche (von denen es einige gibt).
@Solarius: ” Im CERN kann man Bleikerne fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen”
Eine Verdoppelung der Austrittsgeschwindigkeit einer bestimmten Masse erfordert die vierfache Energie. Ziel bei der Konstruktion eines Ionenantriebes ist es, die benötigte Stützmasse so gering wie möglich zu halten. Dazu bedarf es nach der Raketengrundgleichung einer maximalen Ausströmgeschwindigkeit. Der Bau eines Ionenantriebes ist also immer ein Kompromiss zwischen Energie- und Stützmassenbedarf.
@FF:Du könntest doch dem „Leser“ zuliebe mal was über Seesterne schreiben…duck und wech….
Ich bin durch diesen Blog auf sienceblogs gekommen, aber das Niveau von Sternengeschichten ist leider so dermaßen gesunken, das es mittlerweile schmerzt. Schade! Bitte mehr Beiträge wie früher, sonst läuft Alderamins Blog Ihnen komplett den Rang ab.
@Chris: „das Niveau von Sternengeschichten ist leider so dermaßen gesunken“
Was genau ist an meinem Podcast heute anders als früher? Oder geht es um das Blog an sich? Ja, da erscheint hier weniger. Das hat nen Grund: Mit dem Blog verdiene ich kein Geld. Früher hatte ich mehr Freizeit um diesem Hobby hier nachzugehen. Jetzt nicht mehr und jetzt muss ich mich um das kümmern, mit dem ich meinen Lebensunterhalt verdiene. Und wenn es anderswo Leute gibt, die ebenfalls über Astronomie schreiben, dann ist das doch gut. Ich seh mich nicht in Konkurrenz zu Alderamin et al. Je mehr Leute über Astronomie erzählen, desto besser.
@Chris
In dieser Richtung sehe ich keine Konkurrenz. Alderamins Artikel sind um einiges schwieriger zu lesen, als die Artikel beschriebenvon Florian. Nach einem anstrengenden Arbeitstag bevorzuge ich die Leichtfüßigkeit der Beiträge von Florian. 🙂
ups … Auto-Korrektur
Richtig sollt es heißen:
…, als die Artikel von Florian.
@Chris
Hi Chris
Mit was verdienst du deine Kohle? Kläre uns doch mal auf? Bist du ehrenamtlich für die Allgemeinheit auch bei einem Verein? 😉
@ Skeptikskeptiker:
Oder über Hollywood, da gibt es jede Menge Stars und Sternchen… (und natürlich das Griffith Observatory, aber wen interessiert das schon…) 😉
Könnte ich von irgend jemand noch einen Kommentar zu meiner Frage bekommen? Würde mich freuen.
@Rainer
Ich würde eine Überschlagsrechnung machen. Mehr als zwei Zeilen Rechnung sind dafür nicht nötig. Die Idee das Ionentriebwerk auf dem Asteroiden abzusetzen ist keine gute Idee, da die Asteroiden rotieren. Nimm für die Berechnung den Asteroid „2012 DA14“ (65 Meter Durchmesser) und du wirst über das Ergebnis staunen. 😉
@Florian
Ich meinte nicht die Häufigkeit. Vielleicht kommt es mir auch nur so vor, aber früher hatte ich nach dem Lesen deiner Artikel einen sehr viel größeren Erkenntnissgewinn und generell haben sie auch einen bleibenderen Eindruck hinterlassen. Heute ist es wie Karl-Heinz schon richtig festgestellt hat nur „leichte Kost“. Aber wahrscheinlich gibt es dafür auch ein Markt.
@Karl-heinz: nein, Software Entwickler, versteh aber nicht was das zur Sache tut. Bloggen ist doch, dachte ich, ein hobby
Na dann denk doch mal ’n paar CPU-Zyklen darüber nach, was passiert, wenn du hier reingepöbelt kommst und dich darüber beklagst, daß ein Blogger nicht (mehr) so seinem Hobby nachkommt, wie es dir gefällt.
Nur im günstigsten Fall ist dann die Reaktion = dev /0. Es könnte aber auch passieren, daß du in absteigender Höflichkeit von Leuten hier gesagt bekommst, daß deine Kommentare das Niveau noch stärker senken / du deine überflüssigen Kommentare doch bitte woanders posten oder gleich aus Umweltschutzgründen komplett sein lassen könntest / dir deinen Krempel in beliebige Öffnung stecken darfst. Kommentare schreiben ist hier keine Pflicht.
So ein paar „richtige“ Missionen (neben Hayabusa) hat es indes auch schon gegeben. Smart-1 ist damit (sehr langsam) zum Mond geflogen, Deep Space 1 zuvor schon zum Asteroiden Braille und dem Kometen Borrelly und zuletzt konnte Dawn auf diese Weise Vesta und Ceres erforschen. Nur mit chemischem Antrieb hätte man sich zwischen den beiden Asteroiden entscheiden müssen.
@Karl-Heinz
Nach meiner Rechnung könnte ich „2012 DA14“ in 20 Jahren linearen Flugs mit 0,9 N Dauerleistung eines Ionenantriebs um 3000 km verschieben. Überschlag, wenn der Klotz nicht rotiert. Obs stimmt, weiß ich nicht.
Im übrigen lieber Karl-Heinz:
„Ich würde eine Überschlagsrechnung machen. Mehr als zwei Zeilen Rechnung sind dafür nicht nötig … du wirst über das Ergebnis staunen.“ empfinde ich als extrem Oberlehrerhaft und nicht als Antwort auf eine ernstgemeinte Frage.
@ Chris: Betrachte es mal von der anderen Seite. Du hast durch Florians Podcasts und Blogposts dermassen viel Übersichtswissen angehäuft, dass der Nutzwert neuer Beiträge notwendig kleiner werden muss als früher.
Ganz klar ein Erfolg für Florians Bemühungen 😉
Für meinen Geisteshorizont sind die Beiträge wunderbar. Sicher, nicht jeder ist (NUR für mich persönlich) Spitzenklasse, aber aus meiner Feder kommen auch nicht ausschließlich Spitzenkommentare.
Daher: Vielen Dank für die Beiträge und weiter so!
@24 Chris
Als ich verstehe was Du sagst, ich sehe es sogar ein bisschen ähnlich, es stört mich aber nicht besonders.
Zum Einen mag ich es ganz gern, auch mal eher kürzere und einfachere Artikel zu lesen. Alderamin schreibt ein stückweit so ähnlich, wie Florian vor ein paar Jahren auch. Lese ich ab und zu gerne, muss ich aber nicht dauernd. Außerdem ergänzen sich beide dadurch in ihren Formaten.
Ich kann auch nur spekulieren, aber ich vermute, Florian ist nicht mehr ganz so tief drin wie noch vor 5 Jahren, folglich konzentriert er sich mehr auf allgemeine Wissensvermittlung (was ich generell großartig finde), während es bei Alderamin oftmals etwas tiefer geht ud technischer wird (was ich ab und an ebenfalls gut finde, manchmal aber keine Lust habe alles nachzuvollziehen).
Ich persönlich bin daher sehr einverstanden mit der Schweprunktverteilung. Und ab und zu mal nur hören statt lesen finde ich ebenfalls ganz nett, wenngleich ich aber locker 7-8 von 10 Sternegeschichten lese.